Хомогенизатори – Принцип на работа, употреба и мащабиране
Хомогенизаторите са вид смесители, които прилагат механични сили за смесване, емулгиране, диспергиране и разтваряне на системи течност-течност и твърдо-течно. В зависимост от модела на хомогенизатора, ротационната ножица, дюзите или ултразвукът с висока мощност се използват за създаване на необходимите сили за разграждане и разграждане на твърди частици, както и на течни капчици. Научете повече за хомогенизиращите устройства и техните приложения в научноизследователската и производствената дейност!
Какво е хомогенизатор?
Хомогенизаторът е клас смесителни устройства, които са предназначени да разбиват частици, както твърди, така и течни, в еднородна смес. Хомогенизаторите се предлагат като лабораторно, настолно и промишлено оборудване, използвано за различни приложения в научните изследвания и индустрията. Типичното приложение на хомогенизатора включва смесване и разграждане на различни материали, включително частици, пигменти, химикали, растения, храна, клетки, тъкани и др.
Моля, свържете се с нас, за да научите повече за хомогенизаторите, ултразвука и как можете да използвате нашите ултразвукови уреди за вашия процес!
MultiSonoReactor MSR-4 е индустриален вграден хомогенизатор с 16 000 вата мощни ултразвукови апарати за взискателни приложения като нанодисперсии и наноемулсии.
Преглед на различните видове хомогенизатори
Различни видове хомогенизатори се предлагат в търговската мрежа за използване в настолно и промишлено мащабно производство. Въпреки това, смесителите на ротора/статора (колоидите), хомогенизаторите за високо налягане и ултразвуковите хомогенизатори са най-широко използваните модели.
Работното колело или смесителите с остриета имат въртящо се острие, което се върти с висока скорост на дъното на смесителния съд, като по този начин комбинира различни материали в хомогенна смес.
Както вече подсказва името на смесителя ротор/статор, смесителят ротор/статор има ротор и статорен компонент. Роторът е метален вал, който се върти с висока скорост в статора. Статорът е металната част, която остава неподвижна. Въртенето на ротора създава смукателен ефект, който премества твърдо-течния материал между статора и ротора, където твърдите вещества се редуцират до по-малък размер на частиците.
Принципът на работа на хомогенизатора за високо налягане (HPH) се основава на използването на помпа за високо налягане и клапан (дюза, отвор), което прави оборудването голямо, тежко и скъпо. Преработената суспензия се изтласква с висока скорост на потока през малък отвор, което намалява размера на частиците, тъй като частиците се нуждаят от определен малък размер, за да преминат през клапана. Особено при обработка на твърди вещества, HPH са склонни към запушване.
Ултразвуковите хомогенизатори използват силите на срязване с висока степен, генерирани от акустична кавитация, което им дава различни предимства пред други техники за хомогенизиране. Принципът на работа и ползите от ултразвуковата хомогенизация са представени по-долу.
Ултразвук с висока мощност като хомогенизираща сила
Ултразвуковият хомогенизатор използва високоинтензивни ултразвукови вибрации и кавитация, за да създаде много интензивни сили на срязване и следователно може да се нарече супер интензивен смесител с високо срязване. Тайната зад свръхинтензивните сили на срязване е акустичната кавитация, която се генерира от ултразвукови вълни с висока мощност. Ултразвуковият хомогенизатор има генератор, който е блок за захранване и управление, и преобразувател. Преобразувателят съдържа пиезо-електрическа керамика. Тази пиезо-електрическа керамика преобразува електрическата енергия в трептене, тъй като пиезоелектричните кристали променят размера и формата си, когато се приложи напрежение. Когато честотата на електронния осцилатор е равна на естествената честота на пиезоелектрическия кварц, възниква резонанс. При резонансни условия кварцът произвежда надлъжни ултразвукови вълни с голяма амплитуда.
След това генерираните ултразвукови вълни се свързват чрез ултразвуковата сонда (сонотрод / рог) в технологичната среда. Амплитудата на ултразвуковата сонда определя интензивността на ултразвуковите вълни, които се предават в течността или суспензията. Ултразвуковите вълни генерират редуващи се цикли на високо и ниско налягане в течни среди. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност произвеждат малки вакуумни мехурчета в течността. По време на цикъла на високо налягане малките вакуумни мехурчета се срутват разрушително. Това явление се нарича кавитация. Имплозията на кавитационни мехурчета може също да генерира течни струи с висока скорост до 280 m/s, което води до мощни сили на срязване. Силите на срязване разбиват частиците, причиняват сблъсък между частиците и разрушават капчици и клетки механично, като в същото време насърчават високоефективен пренос на маса. Тези кавитационни сили произвеждат равномерни и хомогенни дисперсии, емулсии и суспензии и също така са известни с това, че насърчават химични реакции (т.нар. сонохимия).
Акустичната кавитация (генерирана от ултразвук с висока мощност) създава локално екстремни условия, така наречените сономеханични и сонохимични ефекти. Благодарение на тези ефекти ултразвукът намалява твърдите и течните частици и ги смесва в хомогенна формула.
Ултразвукова кавитация на каскатрода сонда на ултразвуков уред UIP1000hdT (1000 вата, 20kHz) в стъклен реактор. Червената светлина отдолу се използва за подобряване на видимостта на кавитацията.
Ултразвукови хомогенизатори – Предимства
Ултразвуковите хомогенизатори са по-добри, когато става въпрос за производство на твърдо-течни (т.нар. суспензии) и течно-течни суспензии и разтвори. Тъй като ултразвуковите апарати използват принципа на работа на ултразвукова кавитация, материалът трябва да е мокър или в мокра фаза, тъй като кавитацията се случва само в течност. Това означава, че ултразвукът не би бил много ефективен при смесване на сух прах, но веднага щом прахът се намокри, ултразвукът е най-ефективният метод за смесване. Ултразвуковите хомогенизатори са добре известни с това, че надеждно смесват, смесват и диспергират дори пасти и силно вискозни материали. Изключително интензивните сили, причинени от имплозията на кавитационните мехурчета, създават не само много мощни сили на срязване, но и локално ограничени високи температури и налягания, както и съответните диференциали. Тази комбинация от физически сили разрушава частиците до много по-малки размери от конвенционалния хомогенизатор. Следователно ултразвуковите хомогенизатори са предпочитаното оборудване за надеждно производство на наноразмерни емулсии и дисперсии.
- отлична ефективност
- способен да доставя силно фокусирана енергия
- Превъзходни резултати в микрон и нано
- за емулсии и дисперсии с микронни и наноразмери
- всякакъв обем от ml до тонове/час
- партиден и вграден
- за еднократно преминаване и рециркулация
- прецизен контрол на процеса
- лесна работа
- лесно почистване
- ниска поддръжка
Приложения на ултразвукови хомогенизатори
Ултразвуковите хомогенизатори се използват широко в лабораторни и промишлени съоръжения за хомогенизиране на твърдо-течни и течно-течни суспензии, намаляване на размера на частиците, разрушаване и извличане на биологичен материал, засилване на химичните реакции и разтваряне на разтворими съединения.
Ултразвукова емулгиране
Емулгирането е процес на смесване на две или повече несмесващи се течности заедно, за да се получи стабилна или полустабилна смес. По принцип тези две течности се състоят от маслена фаза и водна (водна) фаза. За да се стабилизира сместа от различните течни фази, се добавя емулгатор (повърхностно активно вещество / ко-повърхностно активно вещество). Размерът на капката на емулсията играе решаваща роля, когато става въпрос за функционалността и стабилността на емулсията. Тъй като мощният ултразвук създава сономеханични сили, които разграждат капчиците и ги редуцират до малки капчици, ултразвукът е много популярен метод за производство на микрон- и нано-емулсии. Ултразвуковите хомогенизатори са надежден инструмент за производство на O/W и W/O емулсии, обратни емулсии, двойни емулсии (O/W/O, W/O/W), мини-емулсии, както и емулсии на Pickering. Въз основа на тази гъвкавост и надеждния капацитет за емулгиране, ултразвуковите хомогенизатори (понякога наричани още ултразвукови емулгатори, когато се използват за емулгиране) се използват например в химическата, хранително-вкусовата, фармацевтичната и горивната промишленост за производство на дългосрочни стабилни емулсии.
Кликнете върху следните връзки, за да научите повече за Нано-емулсии и Емулсии за пикеринг!
Ултразвукова дисперсия
Ултразвуковите хомогенизатори са много ефективни, когато агломератите на частиците, агрегатите и дори първичните частици трябва да бъдат надеждно намалени по размер. Предимството на ултразвуковите хомогенизатори е способността им да фрезоват частици до по-малки и по-еднородни размери на частиците, независимо дали микронните или наночастиците са насочени като резултат от процеса. Кавитационните сили на срязване и течните потоци ускоряват частиците, така че те се сблъскват помежду си. Това е известно като сблъсък между частиците. Самите частици действат като среда за смилане, което избягва замърсяването чрез смилане на мъниста и последвалия процес на разделяне, който е необходим, когато се използват конвенционални мелници за мъниста. Тъй като частиците се сблъскват чрез сблъсък между частиците при много високи скорости до 280 m/sec, изключително високи сили се прилагат върху частиците, които следователно се разпадат на малки фракции. Триенето и ерозията придават на тези частици полирана повърхност и равномерно оформена форма. Комбинацията от сили на срязване и сблъсък между частиците придава на ултразвуковата хомогенизация и дисперсия предимството, осигурявайки силно хомогенни колоидни суспензии и дисперсии!
Последователността на снимките по-долу изобразява кавитационните сили на ултразвука върху графитни люспи.
Високоскоростна последователност (от a до f) кадри, илюстриращи сономеханично ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, 200W ултразвуков уред с 3-милиметров сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разцепването.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Диспергиране и хомогенизиране на наноматериали
Както за емулсиите, така и за дисперсиите, приготвянето на наноразмерни смеси е предизвикателна задача. Повечето конвенционални техники за хомогенизиране и смесване, като смесители с остриета, мелници за мъниста, хомогенизатори под високо налягане и други смесители, са в състояние да произвеждат частици с микронни размери, но не могат надеждно да разбиват капчици и твърди частици до наноразмер. Това се дължи най-вече на недостатъчна интензивност. Например, смесителите с остриета не осигуряват достатъчно срязване за разбиване на частици до наноразмер. Мелниците за мъниста, друг вид хомогенизатор, не могат да смилат твърди частици равномерно до по-фин размер на частиците от самите мъниста (смилаща среда). Конвенционалните шлифовъчни мъниста имат среден размер между 1 500 мм – 35 000 мм. Друг проблем е замърсяването от износване на фрезовата среда. Тъй като ултразвуковите апарати осигуряват изключително високи, но прецизно контролируеми сили на срязване, ултразвуковата кавитация е предпочитаната техника за надеждно производство на нано-дисперсия и нано-емулсии в лаборатория (R&D), пилотни и индустриални установки.
Ултразвуковите дисперсии показват равномерно разпределение на размера на частиците с хомогенно редуцирани частици. Кривите показват разпределението на частиците на силициев диоксид преди ултразвук (зелена крива) и след ултразвукова дисперсия (червена крива).
Мащабиране на ултразвуковите хомогенизиращи процеси
При мащабиране от лабораторен ултразвуков хомогенизатор до пилотен ултразвуков и от пилотна система до пълномащабен производствен ултразвуков хомогенизатор, мащабирането може да се приложи напълно линейно! Всички важни параметри на процеса като амплитуда, налягане, температура и време на обработка се поддържат постоянни, само повърхността на ултразвуковата сонда и ултразвуковия уред като енергиен бъркалка на сондата се мащабират до по-големи, по-мощни единици. Линейната мащабируемост на процесите на ултразвукова хомогенизация позволява да се получат в голямо производство същите висококачествени резултати, както в лабораторни и пилотни условия.
Намерете най-подходящия ултразвуков хомогенизатор за вашия процес!
Hielscher Ultrasonics е вашият дългогодишен опитен партньор за ултразвукови хомогенизатори. Всички ултразвукови уреди на Hielscher са проектирани, произведени и тествани в централата ни в Германия, преди да ги изпратим на нашите клиенти по целия свят. Ултразвуковите хомогенизатори на Hielscher са висококачествени устройства, характеризирани от постоянна висока производителност, надеждност, здравина и удобство за потребителя. Техническата сложност на технологията за ултразвукова хомогенизация дава на потребителите на оборудване Hielscher конкурентни предимства, които ги правят лидер на пазара в своята индустрия. С широката продуктова гама от лабораторни и настолни хомогенизатори, пилотни системи и напълно индустриални ултразвукови хомогенизатори за търговско производство, Hielscher разполага с идеалната ултразвукова смесителна система за вашите изисквания. Аксесоарите на колектора позволяват идеалната настройка на ултразвуковия хомогенизатор – съответстване на индивидуалните нужди.
Кажете ни вашите изисквания и спецификации на процеса – С удоволствие ще ви препоръчаме най-подходящия и ефективен ултразвуков хомогенизатор за вашето приложение!
Висока ефективност с помощта на ултразвукови хомогенизатори
Благодарение на изключителната ефективност на процеса, разумните инвестиционни разходи, много високата енергийна ефективност и ниските разходи за труд и поддръжка, ултразвуковите хомогенизатори на Hielscher превъзхождат конвенционалните техники за хомогенизиране и постигат бърза възвръщаемост на инвестициите. Често ултразвуковият хомогенизатор се амортизира в рамките на няколко месеца.
Ултразвук с висока мощност за промишлена хомогенизация
Амплитудата е най-важният параметър на процеса в процесите на хомогенизация, задвижвани от ултразвук. Всички ултразвукови апарати на Hielscher позволяват прецизен контрол върху амплитудата. В зависимост от целта на процеса може да се зададе по-ниска амплитуда за по-меки условия на обработка или да се избере висока амплитуда за по-разрушителни резултати от дисперсията. Индустриалните ултразвукови уреди на Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.
Ниски изисквания за поддръжка на ултразвукови хомогенизатори
Ултразвуковите хомогенизатори са не само лесни за почистване, тъй като сонотродът и реакторът са единствените компоненти, които са мокри части и влизат в контакт с обработения материал. Sonotrode (известен също като ултразвуков рупор или сонда) и реакторът са изработени съответно от титан и неръждаема стомана и имат чиста геометрия без отвори или мъртви ъгли.
Единствената част, която подлежи на износване, е ултразвуковата сонда, която може да бъде заменена без значително прекъсване на работата. Сонотродът на лабораторен ултразвуков уред се сменя в рамките на около 10 минути, докато смяната на сонотрода на индустриален ултразвуков хомогенизатор може да отнеме около 30-45 минути.
Свържете се с нас сега! Нашият опитен екип ще се радва да предостави техническа информация и препоръки, свързани с процеса!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 0.3 до 60L | 0.6 до 12 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Често задавани въпроси за хомогенизаторите
- Какъв е принципът на работа на хомогенизатор? Хомогенизаторът прилага сили на срязване към течности, суспензии и суспензии. Срязването намалява размера на частиците на смесите твърдо-течно и течно-течно и произвежда равномерно разпределение на размера на частиците. Хомогенизаторите могат да произвеждат стабилни емулсии или дисперсии.
- Какъв е принципът на процеса на хомогенизация? Основният принцип на хомогенизацията включва прилагане на механична сила, като ултразвукова вибрация и кавитация към хетерогенна смес, за да се разградят частиците до равномерно фин размер, като се постигне последователна и стабилна смес, която предотвратява отделянето с течение на времето.
- Каква е основната цел на хомогенизацията? Основната цел на хомогенизацията е да подобри стабилността и консистенцията на продукта чрез намаляване на размера на частиците. Този процес подобрява физичните свойства на сместа, като вискозитет, текстура и срок на годност, което я прави от решаващо значение в хранително-вкусовата промишленост, фармацевтиката и козметиката.
Прочетете повече за ултразвуковите хомогенизатори на храните! - Какво е ултразвукова хомогенизация? Ултразвуковата хомогенизация използва високочестотни звукови вълни, за да предизвика кавитация в течна среда, което води до интензивни сили на срязване, които разграждат частиците на микроскопично ниво. Този метод е особено ефективен при клетъчно разрушаване, дисперсия на наночастици и емулгиране.
- Какво е ултразвук за хомогенизиране? Сонирането за хомогенизиране включва прилагане на ултразвукова енергия върху проби за постигане на фино, равномерно смесване. Този процес е ефективен за диспергиране, емулгиране и намаляване на размера на частиците в течността, широко използван както в изследователски, така и в индустриален контекст.
- Кои са 2-те вида ултразвукови методи? Двата основни типа методи за ултразвук са директна и индиректна ултразвук. Директната ултразвук включва потапяне на сонда директно в пробата, докато индиректната ултразвук се случва във вана, където пробите се поставят в контейнер, потопен в благоприятна за ултразвука течност. Директната ултразвук обикновено е по-интензивна и по-ефективна за хомогенизиране от индиректната ултразвук.
Литература / Препратки
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.