Хомогенизатори – Работен принцип, използване и мащабиране

Хомогенизаторите са вид смесители, които прилагат механични сили, за да се слеят, емулгират, разпръснат и разтварят течно-течни и твърдо-течни системи. В зависимост от хомогенизатора модел ротационна срязване, дюзи или ултразвук с висока мощност се използват за създаване на необходимите сили за разпадане и разбиване на твърди частици, както и течни капчици. Научете повече за хомогенизаторните устройства и техните приложения в научните изследвания и производството!

Какво е Хомогенизатор?

Хомогенизаторът е клас смесителни устройства, който е предназначен за счупване на частици, както твърди, така и течни, в еднаква смес. Хомогенизаторите се предлагат като лабораторни, пейка-топ и, промишлено оборудване, използвани в за различни приложения в научните изследвания и промишлеността. Типичното приложение на хомогенизатор включва смесването и разпадането на различни материали, включително частици, пигменти, химикали, растения, храна, клетки, тъкани, наред с други.

Общ преглед на различни видове хомогенизатори

Различни видове хомогенизатори са достъпни в търговската мрежа за използването в пейка-топ и промишлено широкомащабно производство. Въпреки това смесителите на ротора / статора (колоид), хомогенизаторите с високо налягане и ултразвуковите хомогенизатори са най-широко използваните модели.
Смесители за работно колело или острие имат предене острие, което се върти с висока скорост в долната част на съда за смесване, като по този начин комбинира различни материали в хомогенна смес.
Като име на ротор/смесител на статора вече предполага, ротор/статор миксер има ротор и статор компонент. Роторът е метален вал, който се върти при високи скорости в рамките на статора. Статорът е металната част, която остава неподвижна. Въртенето на ротора създава смукателно действие, което премества твърдо-течния материал между статора и ротора, където твърдите вещества се намаляват до по-малък размер на частиците.
Работният принцип на хомогенизатор с високо налягане (HPH) се основава на използването на помпа с високо налягане и клапан (дюза, урис), което прави оборудването голямо, тежко, и скъпо. Преработеният течен тор е принуден с висока скорост на потока през малък орифис, което намалява размера на частиците, тъй като частиците изискват определен малък размер, за да премине през клапана. Особено при обработка на твърди вещества, HPHs са склонни към запушване.
Ултразвукови Хомогенизатори използвайте силите с високо срязване, генерирани от акустична кавитация, което им дава различни предимства пред други хомогенизиращи техники. Работният принцип и ползите от ултразвуковата хомогенизация са представени по-долу.

Ултразвук с висока мощност като хомогенизираща сила

Ултразвуков хомогенизатор използва ултразвукови вибрации с висока интензивност и кавитация, за да създаде много интензивни сили на срязване и следователно може да се нарече супер-интензивен високосрязък миксер. Тайната зад супер интензивните високосрязки сили е акустична кавитация, която се генерира от ултразвукови вълни с висока мощност. Ултразвуков хомогенизатор има генератор, който е захранващият и контролен блок, и преобразувател. Преобразувателят съдържа пиезо-електрическа керамика. Тези пиезо-електрическа керамика превръщат електрическата енергия в трептене, тъй като пиезоелектрическите кристали променят размера и формата си, когато се прилага напрежение. Когато честотата на електронния осцилатор е равна на естествената честота на пиезоелектрическия кварц, възниква резонанс. При резонансни условия кварцът произвежда надлъжни ултразвукови вълни от голяма амплитуда.
Генерираните ултразвукови вълни след това се съчетаят чрез ултразвуковата сонда (сонотрод / рог) в средата на процеса. Амплитудата при ултразвуковата сонда определя интензивността на ултразвуковите вълни, които се предават в течността или течен тор. Ултразвуковите вълни генерират редуващи се цикли с високо налягане и ниско налягане в течни носители. По време на цикъла с ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност произвеждат малки вакуумни мехурчета в течността. По време на цикъла на високо налягане малките вакуумни мехурчета се срутят разрушително. Това явление се нарича кавитация. Имплозията на кавитационни мехурчета може също да генерира течни струи с висока скорост до 280 м/сек, което води до мощни сили на срязване. Силите на срязване разбиват частиците, причиняват междучастичен сблъсък и нарушават капчиците и клетките механично, насърчавайки в същото време високоефективен трансфер на маса. Тези кавитационно сили произвеждат еднородни и хомогенни дисперсии, емулсии и суспензии и също са известни за насърчаване на химични реакции (т.нар сонохимия).

Акустична кавитация (генерирана от ултразвук с висока мощност) създава локално екстремни условия, така наречените сономеханични и сонохимични ефекти. Поради тези ефекти ултразвукът намалява твърдите и течни частици и ги слива в хомогенна формулировка.

Ултразвукови Хомогенизатори – Предимства

Ултразвуковите хомогенизатори са превъзходни, когато става въпрос за производството на твърдо-течни (т.нар. шламове) и течно-течни суспензии и разтвори. Тъй като ultrasonicators използват работния принцип на ултразвукова кавитация, материалът трябва да бъде мокрен или в мочна фаза, тъй като кавитация се случва само в течност. Това означава, че ултразвуков механизъм не би бил много ефективен при смесването на сух прах, но веднага след като прахът се намокри, ултразвукът е най-ефективният метод за смесване. Ултразвуковите хомогенизатори са добре известни, че надеждно смесват, смесват и разпръсват дори пасти и силно вискозни материали. Изключително интензивните сили, причинени от имплозията на кавитационни мехурчета, създават не само много мощни високосрязки сили, но и локално ограничени високи температури и налягания, както и съответни диференциали. Тези комбинация от физически сили нарушават частиците до много по-малки размери от конвенционален хомогенизатор. Ето защо ултразвуковите хомогенизатори са предпочитаното оборудване за надеждно производство на наноразмерни емулсии и дисперсии.

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, нарушаване и извличане на биологичен материал, усилване на химични реакции и разтваряне на разтворими съединения.

Ултразвукова емулгиране

Емулгиране е процес на смесване на две или повече немисивни течности заедно, за да се подготви стабилна или семистируема смес. Като цяло тези две течности се състоят от маслена фаза и водна (водна) фаза. За да се стабилизира сместа на различните течни фази, се добавя емулгатор (повърхностноактивен / ко-повърхностноактивен). Размерът на капчиците на емулсия играе решаваща роля, когато става въпрос за функционалността и стабилността на емулсия. Тъй като мощност-ултразвукът създава сономеханични сили, които разбиват капчици und ги намаляват до минутни 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 Pickering емулсии. Въз основа на тази гъвкавост и надеждния емулгационен капацитет се използват ултразвукови хомогенизатори (понякога наричани също ултразвукови емулгатори, когато се използват за емулгиране) например, в химическата, хранителната, фармацевтичната, и горивната промишленост за производство на дългосрочни стабилни емулсии.
Кликнете върху следните връзки, за да научите повече за Нано-Емулсии, и Pickering Емулсии!

Ултразвуков дисперсия

Ултразвуковите хомогенизатори са много ефикасни, когато агломератите на частиците, агрегатите и дори първичните частици трябва да бъдат надеждно намалени по размер. Предимството на ултразвуковите хомогенизатори е способността им да мелничат частици надолу до по-малки и по-еднакви размери частици, независимо дали микрон- или нано-частици са насочени като резултат от процеса. Кавитационните сили на срязване и течните потоци ускоряват частиците, така че да се сблъскат помежду си. Това е известно като междучастичен сблъсък. Самите частици действат като среда за фрезоване, което избягва замърсяването чрез смилане на мъниста и последващия процес на разделяне, което е необходимо, когато се използват конвенционални мелници за мъниста. Тъй като сблъсъкът на частиците чрез междучастичен сблъсък при много високи скорости до 280m / sec, извънредно високи сили се прилагат за частиците, които следователно се разбиват в минутни фракции. Триенето и ерозията придават на тези частици фрагменти полирана повърхност и равномерно оформена форма. Комбинацията от сили на срязване и междучастичен сблъсък дават ултразвукова хомогенизация и дисперсия изгодния ръб, доставящ силно хомогенни колоидни суспензии и дисперсии!
Последователността на картината по-долу изобразява кавитативните сили на ултразвука върху графитни люспи.

Високоскоростна последователност (от a до f) от рамки, илюстриращи соно-механично ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, ултразвуков мотор 200W с 3-mm сонотрод. Стрелките показват мястото на разделяне (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разделянето.
© Тюрнина и др. (CC BY-NC-ND 4.0)

Дисперсия и хомогенизация на наноматериалите

И за двете, емулсии и дисперсии, приготвянето на наноразмерни смеси е предизвикателна задача. Повечето конвенционални техники за хомогенизация и смесване като миксери за остриета, мелници за мъниста, хомогенизатори с високо налягане и други смесители са способни да произвеждат частици с микронен размер, но те не могат надеждно да счупят капчици и твърди вещества надолу до нано-размера. Това се дължи най-вече на недостатъчна интензивност. Например миксерите за остриета не осигуряват достатъчно срязване за счупване на частици до наноразмер. Мелниците за мъниста, друг вид хомогенизатор, не могат да мелят твърди вещества еднакво до по-фин размер на частиците от перлите (шлифовъчна медия) самата. Конвенционалните шлифовъчни мъниста имат среден размер между 1500 mm – 35 000 мм. Друг проблем е замърсяването чрез износване на средата за фрезоване. Тъй като ултразвуковите средства осигуряват извънредно високи, но въпреки това 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 промишлени настройки.

Мащабиране на ултразвукови хомогенизиращи процеси

При мащабиране от лабораторен ултразвуков хомогенизатор до пилотен ултразвуков апарат, и от пилотна система до пълномащабен производствен ултразвуков хомогенизатор, мащабът нагоре може да се приложи напълно линеен! Всички важни параметри на процеса като амплитуда, налягане, температура и време за обработка се поддържат постоянни, само повърхността на ултразвуковата сонда и ултразвуковият уред като енергичен агитатор 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 лабораторните и пилотните настройки.

Намерете най-подходящия ултразвуков хомогенизатор за вашия процес!

Hielscher Ultrasonics е вие дългогодишен опитен партньор за ултразвукови хомогенизатори. Всички ultrasonicators Hielscher са проектирани, произведени и тествани в централата ни в Германия, преди да ги експедираме на нашите клиенти по целия свят. Ултразвуковите хомогенизатори Hielscher са висококачествени устройства, характеризиращи се с постоянна висока производителност, надеждност, здравина и удобство за потребителя. Техническата изисканост на технологията за ултразвукова хомогенизация дава на потребителите на Hielscher оборудване конкурентни предимства, които ги правят на пазара-лидер в тяхната индустрия. С широката продуктова гама от лабораторни и пейка-топ хомогенизатори, пилотни системи и пълноиндустриални ултразвукови хомогенизатори за търговски продукции, Hielscher има идеалната ултразвукова система за смесване за вашите изисквания. Колекторните аксесоари позволяват идеалната ултразвукова настройка на хомогенизатора – отговарящи на индивидуалните нужди.
Кажете ни вашите изисквания и спецификации за процеса – с удоволствие ще ви препоръчаме най-подходящия и ефективен ултразвуков хомогенизатор за вашето приложение!

Висока ефективност с ултразвукови хомогенизатори

Поради изключителна ефективност на процеса, разумните инвестиционни разходи, много високата енергийна ефективност и ниските разходи за труд и поддръжка, ултразвуковите хомогенизатори Hielscher изпреварват конвенционалните хомогенизиращи техники и постигат бърз RoI (Възвръщаемост на инвестициите). Често ултразвуков 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 с ултразвук. Всички ultrasonicators Hielscher позволяват прецизния контрол върху амплитудата. В зависимост от целта на процеса може да се зададе по-ниска амплитуда за по-малки условия на обработка или да се избере висока амплитуда за по-разрушителни резултати от дисперсията. Ултразвук на Hielscher’ промишлени ултразвукови процесори могат да доставят много високи амплитуди. Амплитудите до 200μm могат лесно да се движат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди са налични 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 се свързват с обработения материал. Сонотрод (известен също като ултразвуков рог или сонда) и реактор са направени от титан и неръждаема стомана, съответно и имат чисти геометрии без орификации или мъртви ъгли.
Единствената част, която подлежи на износване, е ултразвуковата сонда, която може да бъде заменена без значително прекъсване на операцията. Сонотродът на лаборатория ultrasonicator се променя в рамките на приблизително 10 мин, въпреки че промяната на сонотрод на промишлен ултразвуков хомогенизатор може да отнеме приблизително 30-45 мин.

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: