Homogenizatori – princip rada, upotreba i povećanje skale
Homogenizatori su vrsta miješalica koje primjenjuju mehaničke sile za miješanje, emulgiranje, dispergiranje i otapanje tečno-tečnih i čvrsto-tečnih sistema. Ovisno o modelu homogenizatora, za stvaranje sila potrebnih za dezintegraciju i razbijanje čvrstih čestica, kao i kapljica tečnosti, koriste se rotaciono smicanje, mlaznice ili ultrazvuk velike snage. Saznajte više o uređajima za homogenizaciju i njihovoj primjeni u istraživanju i proizvodnji!
Šta je homogenizator?
Homogenizator je vrsta uređaja za miješanje koji je namijenjen razbijanju čestica, čvrstih i tečnih, u ujednačenu smjesu. Homogenizatori su dostupni kao laboratorijska, stolna i industrijska oprema koja se koristi za različite primjene u istraživanju i industriji. Tipična primjena homogenizatora uključuje miješanje i dezintegraciju raznih materijala, među kojima su čestice, pigmenti, hemikalije, biljke, hrana, ćelije, tkiva i drugo.
Kontaktirajte nas kako biste saznali više o homogenizatorima, ultrazvučnoj obradi (sonikaciji) i o tome kako možete koristiti naše sonikatore u svom procesu!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski protočni homogenizator s ultrazvučnim uređajima snage 16.000 vati za zahtjevne primjene kao što su nanodisperzije i nanoemulzije.
Pregled različitih vrsta homogenizatora
Različite vrste homogenizatora komercijalno su dostupne za upotrebu u stolnoj i industrijskoj proizvodnji velikih razmjera. Međutim, najrasprostranjeniji modeli su rotor/stator (koloidni) miješači, homogenizatori visokog pritiska i ultrazvučni homogenizatori.
Impelerski miješači ili miješači s lopaticama imaju rotirajuću lopaticu koja se velikom brzinom okreće na dnu posude za miješanje i na taj način spaja različite materijale u homogenu smjesu.
Kao što i sam naziv rotor/stator miješača nagovještava, rotor/stator miješač ima rotor i stator. Rotor je metalno vratilo koje se velikom brzinom okreće unutar statora. Stator je metalni dio koji ostaje nepokretan. Rotacija rotora stvara efekt usisavanja koji pokreće čvrsto-tečni materijal između statora i rotora, gdje se čvrste čestice usitnjavaju na manju veličinu.
Princip rada homogenizatora visokog pritiska (HPH) zasniva se na upotrebi visokotlačne pumpe i ventila (mlaznica, otvor), zbog čega je oprema velika, teška i skupa. Obrađena suspenzija (slurry) se velikom brzinom strujanja potiskuje kroz mali otvor, čime se smanjuje veličina čestica, jer čestice moraju imati određenu malu veličinu da bi prošle kroz ventil. Naročito pri obradi čvrstih tvari HPH uređaji su skloni začepljenju.
Ultrazvučni homogenizatori koriste visoke smične sile koje stvara akustična kavitacija, što im daje razne prednosti u odnosu na druge tehnike homogenizacije. Princip rada i prednosti ultrazvučne homogenizacije prikazani su u nastavku.
Ultrazvuk velike snage kao sila homogenizacije
Ultrazvučni homogenizator koristi ultrazvučne vibracije visokog intenziteta i kavitaciju kako bi stvorio veoma intenzivne smične sile, pa se stoga može nazvati superintenzivnim miješačem visokog smicanja. Tajna superintenzivnih smičnih sila je akustična kavitacija, koju stvaraju ultrazvučni talasi velike snage. Ultrazvučni homogenizator ima generator, koji je napajanje i upravljačka jedinica, te transduktor. Transduktor sadrži piezoelektričnu keramiku. Ta piezoelektrična keramika pretvara električnu energiju u oscilacije, jer piezoelektrični kristali mijenjaju veličinu i oblik kada se primijeni napon. Kada je frekvencija elektronskog oscilatora jednaka prirodnoj frekvenciji piezoelektričnog kvarca, nastupa rezonancija. U uslovima rezonancije kvarc proizvodi longitudinalne ultrazvučne talase velike amplitude.
Stvoreni ultrazvučni talasi se zatim putem ultrazvučne sonde (sonotrode / horn) prenose u procesni medij. Amplituda na ultrazvučnoj sondi određuje intenzitet ultrazvučnih talasa koji se prenose u tečnost ili suspenziju (slurry). Ultrazvučni talasi u tečnim medijima stvaraju naizmjenične cikluse visokog i niskog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće u tečnosti. Tokom ciklusa visokog pritiska mali vakuumski mjehurići se destruktivno urušavaju. Ta pojava naziva se kavitacija. Implozija kavitacijskih mjehurića može također stvoriti mlazeve tečnosti velike brzine do 280 m/s, što rezultira snažnim smičnim silama. Smične sile razbijaju čestice, uzrokuju međučestične sudare i mehanički razgrađuju kapljice i ćelije, istovremeno podstičući veoma efikasan prijenos mase. Te kavitacijske sile stvaraju ujednačene i homogene disperzije, emulzije i suspenzije, a poznato je i da podstiču hemijske reakcije (tzv. sonohemija).
Akustična kavitacija (koju stvara ultrazvuk velike snage) stvara lokalno ekstremne uslove, tzv. sonomehaničke i sonohemijske efekte. Zahvaljujući tim efektima, ultrazvučna obrada (sonikacija) usitnjava čvrste i tečne čestice i miješa ih u homogenu formulaciju.
Ultrazvučna kavitacija na kaskatrodnoj sondi ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT (1000 vati, 20kHz) u staklenom reaktoru. Crveno svjetlo odozdo koristi se za bolju vidljivost kavitacije.
Prednosti upotrebe sonikatora kao homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori su superiorni kada je riječ o proizvodnji čvrsto-tečnih (tzv. slurry) i tečno-tečnih suspenzija i rastvora. Budući da ultrazvučni uređaji koriste princip rada ultrazvučne kavitacije, materijal treba biti mokar ili u mokroj fazi, jer se kavitacija javlja samo u tečnosti. To znači da ultrazvučni uređaj ne bi bio veoma efikasan u miješanju suhog praha, ali čim se prah navlaži, ultrazvučna obrada (sonikacija) je najefikasnija metoda miješanja. Dobro je poznato da ultrazvučni homogenizatori pouzdano miješaju, ujednačavaju i dispergiraju čak i paste i visokoviskozne materijale. Izuzetno intenzivne sile uzrokovane implozijom kavitacijskih mjehurića stvaraju ne samo veoma snažne smične sile visokog smicanja, nego i lokalno ograničene visoke temperature i pritiske, kao i odgovarajuće razlike. Ova kombinacija fizičkih sila razbija čestice na mnogo manje veličine nego konvencionalni homogenizator. Stoga su ultrazvučni homogenizatori poželjna oprema za pouzdanu proizvodnju emulzija i disperzija nanometarskih veličina.
- odlična efikasnost
- sposobnost isporuke visoko fokusirane energije
- superiorni rezultati u mikro- i nanoopsegu
- za emulzije i disperzije mikrometarskih i nanometarskih veličina
- bilo koja zapremina od mL do tona/h
- šaržni i protočni (inline) rad
- za jedan prolaz i recirkulaciju
- precizna kontrola procesa
- jednostavan rad
- lako čišćenje
- nisko održavanje
Primjene ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori se široko koriste u laboratorijskim i industrijskim postrojenjima za homogenizaciju čvrsto-tečnih i tečno-tečnih suspenzija, smanjenje veličine čestica, razgradnju i ekstrakciju biološkog materijala, intenziviranje hemijskih reakcija i otapanje topljivih spojeva.
Ultrazvučna emulzifikacija
Emulgiranje je proces miješanja dviju ili više tečnosti koje se ne miješaju kako bi se pripremila stabilna ili polustabilna smjesa. Općenito, te dvije tečnosti čine uljna faza i vodena faza. Da bi se smjesa različitih tečnih faza stabilizirala, dodaje se emulgator (surfaktant / ko-surfaktant). Veličina kapljica emulzije igra ključnu ulogu kada je riječ o funkcionalnosti i stabilnosti emulzije. Budući da ultrazvuk velike snage stvara sonomehaničke sile koje razbijaju kapljice i usitnjavaju ih u sitne kapljice, ultrazvučna obrada (sonikacija) je veoma popularna metoda za proizvodnju mikro- i nanoemulzija. Ultrazvučni homogenizatori su pouzdan alat za proizvodnju O/W i W/O emulzija, inverznih emulzija, dvostrukih emulzija (O/W/O, W/O/W), mini-emulzija, kao i Pickering emulzija. Zahvaljujući toj fleksibilnosti i pouzdanom kapacitetu emulgiranja, ultrazvučni homogenizatori (ponekad zvani i ultrazvučni emulgatori kada se koriste za emulgiranje) koriste se npr. u hemijskoj, prehrambenoj, farmaceutskoj i industriji goriva za proizvodnju dugoročno stabilnih emulzija.
Kliknite na sljedeće linkove kako biste saznali više o nanoemulzijama i Pickering emulzijama!
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvučni homogenizatori su veoma djelotvorni kada se aglomerati čestica, agregati, pa čak i primarne čestice moraju pouzdano smanjiti po veličini. Prednost ultrazvučnih homogenizatora je njihova sposobnost da samelju čestice na manje i ujednačenije veličine čestica, bez obzira na to jesu li kao rezultat procesa ciljane mikro- ili nanočestice. Kavitacijske smične sile i tokovi tečnosti ubrzavaju čestice tako da se sudaraju jedna s drugom. To je poznato kao međučestični sudar. Same čestice djeluju kao medij za mljevenje, čime se izbjegava kontaminacija kuglicama za mljevenje i naknadni proces separacije, koji je neophodan kada se koriste konvencionalni mlinovi s kuglicama. Budući da se čestice sudaraju međučestičnim sudarom pri veoma velikim brzinama do 280m/sec, na čestice djeluju izuzetno velike sile, zbog kojih se raspadaju na sitne frakcije. Trenje i erozija daju tim fragmentima čestica uglačanu površinu i ujednačen oblik. Kombinacija smičnih sila i međučestičnog sudara daje ultrazvučnoj homogenizaciji i disperziji povoljnu prednost u dobivanju visoko homogenih koloidnih suspenzija i disperzija!
Niz slika u nastavku prikazuje kavitacijske sile ultrazvuka na grafitnim pahuljicama.
Brzi niz kadrova (od a do f) koji ilustruje sonomehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u procjep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Disperzija i homogenizacija nanomaterijala
I za emulzije i za disperzije, priprema smjesa nanometarskih veličina je zahtjevan zadatak. Većina konvencionalnih tehnika homogenizacije i miješanja, kao što su miješalice s lopaticama, mlinovi s kuglicama, homogenizatori visokog pritiska i druge miješalice, sposobna je proizvesti čestice mikrometarskih veličina, ali ne mogu pouzdano razbiti kapljice i čvrste čestice do nanoveličine. To je uglavnom posljedica nedovoljnog intenziteta. Na primjer, miješalice s lopaticama ne pružaju dovoljno smicanja za razbijanje čestica do nanoveličine. Mlinovi s kuglicama, još jedna vrsta homogenizatora, ne mogu ravnomjerno samljeti čvrste čestice na finiju veličinu od same veličine kuglica (medija za mljevenje). Konvencionalne kuglice za mljevenje imaju prosječnu veličinu između 1.500 mm – 35.000 mm. Drugi problem je kontaminacija habanjem i trošenjem medija za mljevenje. Budući da ultrazvučni uređaji pružaju izuzetno visoke, a ipak precizno kontrolisane smične sile, ultrazvučna kavitacija je poželjna tehnika za pouzdanu proizvodnju nanodisperzija i nanoemulzija u laboratorijskim (R&D), pilot i industrijskim postavkama.
Ultrazvučne disperzije pokazuju ujednačenu raspodjelu veličine čestica s homogeno smanjenim česticama. Krivulje prikazuju raspodjelu čestica silicijum-dioksida prije ultrazvuka (zelena krivulja) i nakon ultrazvučne disperzije (crvena krivulja).
Povećanje skale ultrazvučnih procesa homogenizacije
Pri povećanju skale s laboratorijskog ultrazvučnog homogenizatora na pilot ultrazvučni uređaj, te s pilot sistema na ultrazvučni homogenizator za proizvodnju u punoj skali, povećanje skale može se primijeniti potpuno linearno! Svi važni procesni parametri, kao što su amplituda, pritisak, temperatura i vrijeme obrade, održavaju se konstantnim, a povećava se samo površina ultrazvučne sonde i ultrazvučni uređaj kao energetski pokretač sonde, na veće i snažnije jedinice. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne homogenizacije omogućava da se u velikoj proizvodnji dobiju isti visokokvalitetni rezultati kao u laboratorijskim i pilot uslovima.
Pronađite najprikladniji ultrazvučni homogenizator za svoj proces!
Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner za ultrazvučne homogenizatore. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji se projektuju, proizvode i testiraju u našem sjedištu u Njemačkoj prije nego što ih isporučimo našim kupcima širom svijeta. Hielscher ultrazvučni homogenizatori su visokokvalitetni uređaji koje karakteriziraju postojane visoke performanse, pouzdanost, robusnost i jednostavnost korištenja. Tehnička sofisticiranost tehnologije ultrazvučne homogenizacije daje korisnicima Hielscher opreme konkurentske prednosti, zbog kojih postaju lideri na tržištu u svojoj industriji. Sa širokim asortimanom proizvoda, od laboratorijskih i stolnih homogenizatora, preko pilot sistema, do punih industrijskih ultrazvučnih homogenizatora za komercijalnu proizvodnju, Hielscher ima idealan sistem za ultrazvučno miješanje za vaše zahtjeve. Raznovrsna dodatna oprema omogućava idealnu konfiguraciju ultrazvučnog homogenizatora – prilagođenu individualnim potrebama.
Recite nam svoje procesne zahtjeve i specifikacije – rado ćemo vam preporučiti najprikladniji i najefikasniji ultrazvučni homogenizator za vašu primjenu!
Visoka efikasnost upotrebom ultrazvučnih homogenizatora
Zahvaljujući izuzetnoj efikasnosti procesa, razumnim troškovima ulaganja, veoma visokoj energetskoj efikasnosti te niskim troškovima rada i održavanja, Hielscher ultrazvučni homogenizatori nadmašuju konvencionalne tehnike homogenizacije i postižu brz povrat investicije (RoI). Ultrazvučni homogenizator se često amortizira u roku od nekoliko mjeseci.
Ultrazvuk velike snage za industrijsku homogenizaciju
Amplituda je najvažniji procesni parametar u procesima homogenizacije pogonjenim ultrazvukom. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji omogućavaju preciznu kontrolu amplitude. Ovisno o cilju procesa, može se podesiti niža amplituda za blaže uslove obrade ili se bira visoka amplituda za destruktivnije rezultate disperzije. Hielscher industrijski sonikatori mogu isporučiti veoma visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su sonotrode izrađene po narudžbi.
Niski zahtjevi za održavanje ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori se ne samo lako čiste, budući da su sonotroda i reaktor jedine komponente koje su u dodiru s medijem i dolaze u kontakt s obrađivanim materijalom. Sonotroda (poznata i kao ultrazvučni horn ili sonda) i reaktor izrađeni su od titana, odnosno nehrđajućeg čelika, i imaju čiste geometrije bez otvora ili mrtvih uglova.
Jedini dio koji je podložan habanju i trošenju je ultrazvučna sonda, koja se može zamijeniti bez značajnog prekida rada. Sonotroda laboratorijskog ultrazvučnog uređaja mijenja se za otprilike 10 min, dok zamjena sonotrode industrijskog ultrazvučnog homogenizatora može trajati otprilike 30–45 min.
Kontaktirajte nas odmah! Naš iskusni tim rado će vam pružiti tehničke informacije i preporuke vezane za proces!
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 do 60L | 0,6 do 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskoj, pilot i industrijskoj skali.
Često postavljana pitanja o homogenizatorima
- Koji je princip rada homogenizatora? Homogenizator primjenjuje smične sile na tečnosti, suspenzije i slurry. Smicanje smanjuje veličinu čestica čvrsto-tečnih i tečno-tečnih smjesa i proizvodi ujednačene raspodjele veličine čestica. Homogenizatori mogu proizvesti stabilne emulzije ili disperzije.
- Koji je princip procesa homogenizacije? Osnovni princip homogenizacije podrazumijeva primjenu mehaničke sile, kao što su ultrazvučne vibracije i kavitacija, na heterogenu smjesu kako bi se čestice razbile na ujednačeno finu veličinu, čime se postiže postojana i stabilna smjesa koja sprječava razdvajanje tokom vremena.
- Koja je primarna svrha homogenizacije? Primarna svrha homogenizacije je poboljšanje stabilnosti i postojanosti proizvoda smanjenjem veličine čestica. Ovaj proces poboljšava fizička svojstva smjese, kao što su viskoznost, tekstura i rok trajanja, zbog čega je ključan u preradi hrane, farmaceutskoj industriji i kozmetici.
Saznajte više o ultrazvučnim homogenizatorima za hranu! - Šta je ultrazvučna homogenizacija? Ultrazvučna homogenizacija koristi zvučne talase visoke frekvencije za izazivanje kavitacije u tečnom mediju, što rezultira intenzivnim smičnim silama koje razbijaju čestice na mikroskopskom nivou. Ova metoda je posebno efikasna za razgradnju ćelija, dispergiranje nanočestica i emulgiranje.
- Šta je ultrazvučna obrada (sonikacija) za homogenizaciju? Ultrazvučna obrada (sonikacija) za homogenizaciju podrazumijeva primjenu ultrazvučne energije na uzorke radi postizanja finog, ujednačenog miješanja. Ovaj proces je efikasan za dispergiranje, emulgiranje i smanjenje veličine čestica unutar fluida, a široko se koristi i u istraživačkom i u industrijskom kontekstu.
- Koje su 2 vrste metoda sonikacije? Dvije primarne vrste metoda sonikacije su direktna i indirektna sonikacija. Direktna sonikacija podrazumijeva uranjanje sonde direktno u uzorak, dok se indirektna sonikacija odvija u kupelji u kojoj se uzorci postavljaju u posudu uronjenu u fluid pogodan za sonikaciju. Direktna sonikacija je obično intenzivnija i efikasnija za homogenizaciju od indirektne sonikacije.
Literatura / reference
- 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.