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 вещество–течност. В зависимост от модела на хомогенизатора се използват срязване чрез въртене, дюзи или ултразвук с висока мощност за създаване на необходимите сили за раздробяване и разрушаване на твърди частици и течни капчици. Научете повече за хомогенизаторите и техните приложения в научните изследвания и производството!
Какво е хомогенизатор?
Хомогенизаторът е устройство от клас смесителни устройства, предназначени да раздробяват както твърди, така и течни частици, за да се получи еднородна смес. Хомогенизаторите се предлагат като лабораторно, настолно и промишлено оборудване за различни приложения в научните изследвания и промишлеността. Типичните приложения на хомогенизаторите включват смесване и раздробяване на различни материали, включително частици, пигменти, химикали, растения, храни, клетки, тъкани и други.
Свържете се с нас, за да научите повече за хомогенизаторите, ултразвуковата обработка и как можете да използвате нашите ултразвукови апарати във Вашия процес!
MultiSonoReactor MSR-4 е промишлен хомогенизатор за обработка в поток с ултразвукови апарати с мощност 16 000 вата за взискателни приложения като нанодисперсии и наноемулсии.
Преглед на различните видове хомогенизатори
На пазара се предлагат различни видове хомогенизатори за използване в настолни установки и в мащабно промишлено производство. Най-широко използваните модели обаче са роторно-статорните (колоидни) смесители, хомогенизаторите с високо налягане и ултразвуковите хомогенизатори.
Смесителите с импелер или лопатки имат въртяща се лопатка, която се върти с висока скорост на дъното на смесителния съд и по този начин обединява различни материали в хомогенна смес.
Както подсказва наименованието, роторно-статорният смесител има роторен 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 засмукващ ефект, който придвижва материала от твърдо вещество и течност между статора и ротора, където размерът на твърдите частици се намалява.
Принципът на работа на хомогенизатора с високо налягане (HPH) се основава на използването на помпа за високо налягане и клапан (дюза, отвор), което прави оборудването голямо, тежко и скъпо. Обработваната суспензия се прокарва принудително с висока скорост на потока през малък отвор, което намалява размера на частиците, тъй като те трябва да имат определен малък размер, за да преминат през клапана. Особено при обработката на твърди вещества хомогенизаторите с високо налягане са склонни към запушване.
Ултразвуковите хомогенизатори използват силните сили на срязване, генерирани от акустичната кавитация, което им дава различни предимства пред другите методи за хомогенизиране. Принципът на работа и предимствата на ултразвуковата хомогенизация са представени по-долу.
Ултразвукът с висока мощност като хомогенизираща сила
Ултразвуковият хомогенизатор използва ултразвукови вибрации с висока интензивност и кавитация, за да създава много интензивни сили на срязване, и затова може да се нарече свръхинтензивен смесител със силно срязване. Тайната на свръхинтензивните сили на срязване е акустичната кавитация, генерирана от ултразвукови вълни с висока мощност. Ултразвуковият хомогенизатор има генератор, който служи като захранващ и управляващ блок, и преобразувател. Преобразувателят съдържа пиезоелектрична керамика. Тази пиезоелектрична керамика преобразува електрическата енергия в трептения, тъй като пиезоелектричните кристали променят размера и формата си при прилагане на напрежение. Когато честотата на електронния осцилатор е равна на собствената честота на пиезоелектричния кварц, възниква резонанс. При резонанс кварцът генерира надлъжни ултразвукови вълни с голяма амплитуда.
След това генерираните ултразвукови вълни се предават чрез ултразвуковата сонда (сонотрод / рупор) 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 образуват малки вакуумни мехурчета в течността. По време на цикъла на високо налягане малките вакуумни мехурчета колабират разрушително. Това явление се нарича кавитация. Имплозията на кавитационните мехурчета може също да генерира течни струи с висока скорост до 280 m/s, което води до мощни сили на срязване. Силите на срязване раздробяват частиците, предизвикват сблъсъци между тях и механично разрушават капчици и клетки, като същевременно подпомагат високоефективния масообмен. Тези кавитационни сили създават еднородни и хомогенни дисперсии, емулсии и суспензии и също така е известно, че подпомагат химични реакции (т.нар. сонохимия).
Акустичната кавитация (генерирана от ултразвук с висока мощност) създава локално екстремни условия, т.нар. сономеханични и сонохимични ефекти. Благодарение на тези ефекти ултразвуковата обработка намалява размера на твърдите и течните частици и ги смесва в хомогенна формулация.
Ултразвукова кавитация при каскатродната сонда Cascatrode на ултразвуковия апарат UIP1000hdT (1000 вата, 20kHz) в стъклен реактор. Червена светлина отдолу се използва за подобряване на видимостта на кавитацията.
Предимства на използването на ултразвукови апарати като хомогенизатори
Ултразвуковите хомогенизатори превъзхождат другите методи при производството на суспензии и разтвори от твърдо вещество–течност (т.нар. шламове) и течност–течност. Тъй като ултразвуковите апарати използват принципа на ултразвуковата кавитация, материалът трябва да е мокър или във влажна фаза, защото кавитацията възниква само в течност. Това означава, че ултразвуковият апарат не би бил много ефективен при смесване на сух прах, но веднага щом прахът се намокри, ултразвуковата обработка е най-ефективният метод за смесване. Ултразвуковите хомогенизатори са добре известни със способността си надеждно да смесват, разбъркват и диспергират дори пасти и материали с висок вискозитет. Изключително интензивните сили, породени от имплозията на кавитационните мехурчета, създават не само много мощни сили на срязване, но и локално ограничени високи температури и налягания, както и съответните разлики в тях. Тази комбинация от физични сили раздробява частиците до много по-малки размери в сравнение с конвенционален хомогенизатор. Затова ултразвуковите хомогенизатори са предпочитаното оборудване за надеждно производство на емулсии и дисперсии с наноразмери.
- отлична ефективност
- възможност за предаване на силно фокусирана енергия
- превъзходни резултати в микронния и нанометричния диапазон
- за емулсии и дисперсии с микронни и наноразмери
- всякакъв обем от mL до tons/hr
- периодична обработка и обработка в поток
- за еднократно преминаване и рециркулация
- прецизен контрол на процеса
- лесна работа
- лесно почистване
- малка необходимост от поддръжка
Приложения на ултразвуковите хомогенизатори
Ултразвуковите хомогенизатори се използват широко в лабораторни и промишлени съоръжения за хомогенизиране на суспензии от твърдо вещество–течност и течност–течност, намаляване на размера на частиците, разрушаване и екстракция на биологичен материал, интензифициране на химични реакции и разтваряне на разтворими съединения.
Ултразвуково емулгиране
Емулгирането е процес на смесване на две или повече несмесващи се течности с цел приготвяне на стабилна или полустабилна смес. Обикновено тези две течности представляват маслена фаза и водна фаза. За стабилизиране на сместа от различните течни фази се добавя емулгатор (повърхностноактивно вещество / ко-повърхностноактивно вещество). Размерът на капчиците в емулсията играе решаваща роля за нейната функционалност и стабилност. Тъй като мощният ултразвук създава сономеханични сили, които раздробяват капчиците и ги намаляват до миниатюрни капчици, ултразвуковата обработка е много популярен метод за производство на микроемулсии и наноемулсии. Ултразвуковите хомогенизатори са надежден инструмент за производство на емулсии O/W и W/O, обратни емулсии, двойни емулсии (O/W/O, W/O/W), миниемулсии, както и емулсии на Пикеринг. Благодарение на тази гъвкавост и надеждната способност за емулгиране ултразвуковите хомогенизатори (понякога наричани и ултразвукови емулгатори, когато се използват за емулгиране) се използват например в химическата, хранителната, фармацевтичната и горивната промишленост за производство на дълготрайно стабилни емулсии.
Щракнете върху следните връзки, за да научите повече за наноемулсиите и емулсиите на Пикеринг!
Ултразвуково диспергиране
Ултразвуковите хомогенизатори са много ефективни, когато размерът на агломерати, агрегати и дори първични частици трябва да бъде надеждно намален. Предимството на ултразвуковите хомогенизатори е способността им да смилат частиците до по-малки и по-еднородни размери, независимо дали целта на процеса е получаването на микрочастици или наночастици. Кавитационните сили на срязване и течните потоци ускоряват частиците, така че те се сблъскват помежду си. Това е известно като междучастичен сблъсък. Самите частици действат като смилаща среда, което предотвратява замърсяването от смилащи микросфери и необходимостта от последващ процес на разделяне, изискван при използване на конвенционални мелници с микросфери. Тъй като частиците се сблъскват помежду си при много високи скорости до 280m/sec, върху тях действат изключително големи сили и затова те се раздробяват на миниатюрни фрагменти. Триенето и ерозията придават на тези фрагменти полирана повърхност и еднородна форма. Комбинацията от сили на срязване и междучастични сблъсъци дава предимство на ултразвуковата хомогенизация и диспергиране, като осигурява силно хомогенни колоидни суспензии и дисперсии!
Поредицата от изображения по-долу показва кавитационните сили на ултразвука върху графитни люспи.
Високоскоростна поредица от кадри (от a до f), илюстрираща сономеханична ексфолиация на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, ултразвуков апарат с мощност 200W с 3-mm сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиация), като кавитационни мехурчета проникват в образуваната цепнатина.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Диспергиране и хомогенизация на наноматериали
Приготвянето на смеси с наноразмери е предизвикателство както за емулсиите, така и за дисперсиите. Повечето конвенционални методи за хомогенизация и смесване, като лопаткови смесители, мелници с микросфери, хомогенизатори с високо налягане и други смесители, могат да произвеждат частици с микронни размери, но не могат надеждно да раздробяват капчици и твърди вещества до наноразмери. Това се дължи предимно на недостатъчната интензивност. Например лопатковите смесители не осигуряват достатъчно срязване за раздробяване на частиците до наноразмери. Мелниците с микросфери, друг вид хомогенизатори, не могат да смилат твърдите вещества равномерно до размер на частиците, по-малък от самите микросфери (смилащата среда). Конвенционалните смилащи микросфери имат среден размер между 1 500 mm – 35 000 mm. Друг проблем е замърсяването вследствие на износването на смилащата среда. Тъй като ултразвуковите апарати осигуряват изключително големи, но прецизно контролируеми сили на срязване, ултразвуковата кавитация е предпочитаният метод за надеждно производство на нанодисперсии и наноемулсии в лабораторни (научноизследователски и развойни), пилотни и промишлени установки.
Ултразвуковите дисперсии показват еднородно разпределение на размера на частиците, чийто размер е равномерно намален. Кривите показват разпределението на частиците на силициевия диоксид преди ултразвуковата обработка (зелена крива) и след ултразвуковото диспергиране (червена крива).
Мащабиране на процесите на ултразвукова хомогенизация
При мащабиране от лабораторен ултразвуков хомогенизатор към пилотен ултразвуков апарат и от пилотна система към ултразвуков хомогенизатор за пълномащабно производство мащабирането може да бъде напълно линейно! Всички важни параметри на процеса, като амплитуда, налягане, температура и време на обработка, се запазват постоянни; само площта на повърхността на ултразвуковата сонда и ултразвуковият апарат, който подава енергия за задвижване на сондата, се мащабират до по-големи и по-мощни устройства. Линейната мащабируемост на процесите на ултразвукова хомогенизация позволява в мащабното производство да се получат същите висококачествени резултати, както в лабораторни и пилотни условия.
Намерете най-подходящия ултразвуков хомогенизатор за Вашия процес!
Hielscher Ultrasonics е Вашият партньор с дългогодишен опит в ултразвуковите хомогенизатори. Всички ултразвукови апарати на Hielscher се проектират, произвеждат и изпитват в нашата централа в Германия, преди да ги изпратим на нашите клиенти по целия свят. Ултразвуковите хомогенизатори на Hielscher са висококачествени устройства, характеризиращи се с постоянно висока производителност, надеждност, здравина и удобство при работа. Техническото съвършенство на технологията за ултразвукова хомогенизация дава на потребителите на оборудване на Hielscher конкурентни предимства, които ги правят пазарни лидери в техния отрасъл. С широката продуктова гама от лабораторни и настолни хомогенизатори, пилотни системи и изцяло промишлени ултразвукови хомогенизатори за търговско производство Hielscher разполага с идеалната ултразвукова смесителна система за Вашите изисквания. Многобройните принадлежности позволяват идеална конфигурация на ултразвуковия хомогенизатор – съобразена с индивидуалните нужди.
Споделете с нас изискванията и спецификациите на Вашия процес – с удоволствие ще Ви препоръчаме най-подходящия и ефективен ултразвуков хомогенизатор за Вашето приложение!
Висока ефективност при използване 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 методи за хомогенизиране и осигуряват бърза възвръщаемост на инвестицията (RoI). Често ултразвуковият хомогенизатор се изплаща в рамките на няколко месеца.
Ултразвук с висока мощност за промишлена хомогенизация
Амплитудата е най-важният параметър в процесите на хомогенизация, задвижвани от ултразвук. Всички ултразвукови апарати на Hielscher позволяват прецизен контрол на 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-силно разрушаване при диспергирането. Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
Ниски изисквания за поддръжка на ултразвуковите хомогенизатори
Ултразвуковите хомогенизатори също са лесни за почистване, тъй като сонотродът и реакторът са единствените омокряеми компоненти, които влизат в контакт с обработвания материал. Сонотродът (известен също като ултразвуков рупор или сонда) и реакторът са изработени съответно от титан и неръждаема стомана и имат опростена геометрия без отвори или мъртви зони.
Единствената част, която подлежи на износване, е ултразвуковата сонда, която може да се замени без значително прекъсване на работата. Сонотродът на лабораторен ултразвуков апарат се сменя за приблизително 10 min, докато смяната на сонотрод на промишлен ултразвуков хомогенизатор може да отнеме приблизително 30–45 min.
Свържете се с нас сега! Нашият екип с богат опит с удоволствие ще предостави техническа информация и препоръки, свързани с процеса!
Таблицата по-долу Ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 до 60L | 0,6 до 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Често задавани въпроси за хомогенизаторите
- Какъв е принципът на работа на хомогенизатора? Хомогенизаторът прилага сили на срязване върху течности, суспензии и шламове. Срязването намалява размера на частиците в смеси от твърдо вещество–течност и течност–течност и създава еднородни разпределения 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 ултразвукови вибрации и кавитация, върху хетерогенна смес, за да се раздробят частиците до еднороден малък размер и да се получи еднородна и стабилна смес, която не се разделя с течение на времето.
- Каква е основната цел на хомогенизацията? Основната цел на хомогенизацията е да подобри стабилността и еднородността на продукта чрез намаляване на размера на частиците. Този процес подобрява физичните свойства на сместа, като вискозитет, текстура и срок на годност, което го прави изключително важен за хранителната промишленост, фармацевтиката и козметиката.
Прочетете повече за ултразвуковите хомогенизатори за храни! - Какво е ултразвукова хомогенизация? Ултразвуковата хомогенизация използва високочестотни звукови вълни за предизвикване на кавитация в течна среда, което води до интензивни сили на срязване, раздробяващи частиците на микроскопично ниво. Този метод е особено ефективен за разрушаване на клетките, диспергиране на наночастици и емулгиране.
- Какво представлява ултразвуковата обработка за хомогенизация? Ултразвуковата обработка за хомогенизация включва прилагане на ултразвукова енергия върху проби за постигане на фино, еднородно смесване. Този процес е ефективен за диспергиране, емулгиране и намаляване на размера на частиците във флуид и се използва широко както в научните изследвания, така и в промишлеността.
- Кои са 2-та вида методи за ултразвукова обработка? Двата основни вида методи за ултразвукова обработка са директната и индиректната ултразвукова обработка. Директната ултразвукова обработка включва потапяне на сонда непосредствено в пробата, докато индиректната ултразвукова обработка се извършва във вана, където пробите се поставят в съд, потопен във флуид, подходящ за ултразвукова обработка. Директната ултразвукова обработка обикновено е по-интензивна и по-ефективна за хомогенизация от индиректната ултразвукова обработка.
Литература / източници
- 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.