Homogenizatori – Princip rada, upotreba i povećanje
Homogenizatori su vrsta miksera, koji primenjuju mehaničke sile za mešanje, emulgovanje, dispergovanje i otapanje sistema tečnost-tečnost i čvrsta-tečnost. Ovisno o modelu homogenizatora, rotacijsko smicanje, mlaznice ili ultrazvuk velike snage se koriste za stvaranje potrebnih sila za dezintegraciju i razbijanje čvrstih čestica, kao i kapljica tekućine. Saznajte više o uređajima homogenizatora i njihovoj primjeni u istraživanju i proizvodnji!
Šta je homogenizator?
Homogenizator je klasa uređaja za miješanje, koja je dizajnirana da razbije čestice, i čvrste i tečne, u jednoličnu smjesu. Homogenizatori su dostupni kao laboratorijska, stolna i industrijska oprema koja se koristi za različite primjene u istraživanju i industriji. Tipična primena homogenizatora uključuje mešanje i dezintegraciju različitih materijala, uključujući čestice, pigmente, hemikalije, biljke, hranu, ćelije, tkiva, između ostalog.
Molimo kontaktirajte nas da saznate više o homogenizatorima, sonikaciji i kako možete koristiti naše sonikatore za svoj proces!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizator sa ultrazvučnim aparatima snage 16.000 vati za zahtjevne primjene kao što su nano-disperzije i nano-emulzije.
Pregled različitih tipova homogenizatora
Različiti tipovi homogenizatora su komercijalno dostupni za upotrebu u stolnoj i industrijskoj velikoj proizvodnji. Međutim, rotor/stator (koloidni) mikseri, homogenizatori visokog pritiska i ultrazvučni homogenizatori su najčešće korišćeni modeli.
Radno kolo ili mješalice s lopaticom imaju rotirajuću oštricu, koja se vrti velikom brzinom na dnu posude za miješanje spajajući različite materijale u homogenu smjesu.
Kao što naziv miksera rotor/stator već implicira, mikser rotor/stator ima rotor i statorsku komponentu. Rotor je metalna osovina koja se vrti velikom brzinom unutar statora. Stator je metalni dio koji ostaje nepomičan. Rotacija rotora stvara usisni efekat koji pomiče čvrsti i tekući materijal između statora i rotora, gdje se čvrste tvari smanjuju na manju veličinu čestica.
Princip rada homogenizatora visokog pritiska (HPH) zasniva se na upotrebi pumpe visokog pritiska i ventila (mlaznica, otvor), što opremu čini velikom, teškom i skupom. Obrađena suspenzija se gura velikom brzinom protoka kroz mali otvor, što smanjuje veličinu čestica jer je česticama potrebna određena mala veličina da bi prošla kroz ventil. Naročito kada se obrađuju čvrste materije, HPH su skloni začepljenju.
Ultrazvučni homogenizatori koriste silu visokog smicanja koju stvara akustična kavitacija, što im daje različite prednosti u odnosu na druge tehnike homogenizacije. U nastavku su predstavljeni princip rada i prednosti ultrazvučne homogenizacije.
Ultrazvuk velike snage kao sila homogenizacije
Ultrazvučni homogenizator koristi ultrazvučne vibracije visokog intenziteta i kavitaciju kako bi stvorio vrlo intenzivne sile smicanja i stoga se može nazvati super-intenzivnim mikserom visokog smicanja. Tajna iza super-intenzivnih sila visokog smicanja je akustična kavitacija, koju stvaraju ultrazvučni talasi velike snage. Ultrazvučni homogenizator ima generator, koji je jedinica za napajanje i upravljanje, i pretvarač. Pretvarač sadrži piezo-električnu keramiku. Ova piezoelektrična keramika pretvara električnu energiju u oscilaciju, budući da piezoelektrični kristali mijenjaju svoju veličinu i oblik kada se primjenjuje napon. Kada je frekvencija elektronskog oscilatora jednaka prirodnoj frekvenciji piezoelektričnog kvarca, dolazi do rezonancije. U uslovima rezonancije, kvarc proizvodi uzdužne ultrazvučne talase velike amplitude.
Generisani ultrazvučni talasi se zatim spajaju preko ultrazvučne sonde (sonotrode / rog) u procesni medij. Amplituda na ultrazvučnoj sondi određuje intenzitet ultrazvučnih talasa, koji se prenose u tečnost ili kašu. Ultrazvučni talasi stvaraju naizmenične cikluse visokog i niskog pritiska u tečnim medijima. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta proizvode male vakuumske mehuriće u tečnosti. Tokom ciklusa visokog pritiska, mali vakuumski mehurići destruktivno kolabiraju. Ova pojava se naziva kavitacija. Implozija kavitacijskih mjehurića također može stvoriti mlazove tekućine s velikom brzinom do 280 m/s, što rezultira snažnim silama smicanja. Sile smicanja razbijaju čestice, uzrokuju sudar između čestica i mehanički ometaju kapljice i ćelije, promovišući u isto vrijeme visoko efikasan prijenos mase. Ove kavitacijske sile proizvode ujednačene i homogene disperzije, emulzije i suspenzije, a poznato je i da podstiču hemijske reakcije (tzv. sonohemija).
Akustična kavitacija (generisana ultrazvukom velike snage) stvara lokalno ekstremne uslove, takozvane sonomehaničke i sonohemijske efekte. Zbog ovih učinaka, sonication smanjuje čvrste i tekuće čestice i miješa ih u homogenu formulaciju.
Ultrazvučna kavitacija na kaskatrodnoj sondi ultrasonikator UIP1000hdT (1000 vati, 20 kHz) u staklenom reaktoru. Crveno svjetlo sa dna se koristi za poboljšanje vidljivosti kavitacije.
Ultrazvučni homogenizatori – Prednosti
Ultrazvučni homogenizatori su superiorni kada je u pitanju proizvodnja suspenzija i rastvora čvrsto-tečnost (tzv. kaša) i tečno-tečno. Pošto ultrazvučni aparati koriste princip rada ultrazvučne kavitacije, materijal treba da bude mokar ili u mokroj fazi, jer se kavitacija javlja samo u tečnosti. To znači da ultrasonikator ne bi bio vrlo efikasan u miješanju suhog praha, ali čim se prah navlaži, ultrazvuk je najefikasnija metoda za miješanje. Poznato je da ultrazvučni homogenizatori pouzdano miješaju, miješaju i raspršuju čak i paste i visoko viskozne materijale. Izuzetno intenzivne sile uzrokovane implozijom kavitacijskih mjehurića stvaraju ne samo vrlo snažne sile smicanja već i lokalno ograničene visoke temperature i pritiske, kao i odgovarajuće razlike. Ova kombinacija fizičkih sila razbija čestice na mnogo manje veličine od konvencionalnog homogenizatora. Stoga su ultrazvučni homogenizatori poželjna oprema za pouzdanu proizvodnju emulzija i disperzija nano veličine.
- odlična efikasnost
- sposoban da isporuči visoko fokusiranu energiju
- superiorni rezultati u mikronima i nano
- za emulzije i disperzije mikronskih i nano-veličina
- bilo koju zapreminu od ml do tona/h
- batch i inline
- za jednokratni prolaz i recirkulaciju
- precizna kontrola procesa
- jednostavan rad
- lako čišćenje
- nisko održavanje
Primjena ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori se široko koriste u laboratorijskim i industrijskim objektima za homogenizaciju suspenzija čvrsto-tečnost i tečnost-tečnost, smanjenje veličine čestica, razbijanje i ekstrakciju biološkog materijala, intenziviranje hemijskih reakcija i rastvaranje rastvorljivih jedinjenja.
Ultrazvučna emulzifikacija
Emulzifikacija je proces miješanja dvije ili više tekućina koje se ne miješaju zajedno kako bi se dobila stabilna ili polustabilna smjesa. Općenito, ove dvije tekućine sastoje se od uljne faze i vodene (vodene) faze. Za stabilizaciju mješavine različitih tekućih faza, dodaje se emulgator (surfaktant / ko-surfaktant). Veličina kapljice emulzije igra ključnu ulogu kada je u pitanju funkcionalnost i stabilnost emulzije. Budući da ultrazvuk stvara sonomehaničke sile, koje razbijaju kapljice i svode ih na sitne kapljice, ultrazvuk je vrlo popularna metoda za proizvodnju mikron- i nano-emulzija. 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. Na osnovu ove fleksibilnosti i pouzdanog kapaciteta emulgiranja, ultrazvučni homogenizatori (koji se ponekad nazivaju i ultrazvučni emulgatori kada se koriste za emulgiranje) se koriste npr. u kemijskoj, prehrambenoj, farmaceutskoj industriji i industriji goriva za proizvodnju dugotrajno stabilnih emulzija.
Kliknite na sljedeće veze da saznate više o tome nano-emulzije i Pickering emulzije!
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvučni homogenizatori su vrlo efikasni kada se aglomerati čestica, agregati, pa čak i primarne čestice moraju pouzdano smanjiti u veličini. Prednost ultrazvučnih homogenizatora je njihova sposobnost mljevenja čestica na manje i ujednačenije veličine čestica, bilo da su mikrone ili nano-čestice ciljane kao rezultat procesa. Kavitacijske posmične sile i struje tekućine ubrzavaju čestice tako da se sudaraju jedna s drugom. Ovo je poznato kao sudar između čestica. Same čestice djeluju kao medij za mljevenje, čime se izbjegava kontaminacija mljevenjem perli i naknadnim procesom odvajanja, koji je neophodan kada se koriste konvencionalni mlinovi za perle. Budući da se čestice sudaraju međučestičnim sudarom pri vrlo velikim brzinama do 280 m/s, na čestice se primjenjuju izuzetno velike sile, koje se stoga raspadaju u sitne frakcije. Trenje i erozija daju tim fragmentima čestica uglačanu površinu i ujednačen oblik. Kombinacija sila smicanja i sudara između čestica daje ultrazvučnoj homogenizaciji i disperziji povoljan rub koji daje visoko homogene koloidne suspenzije i disperzije!
Slijed slika ispod prikazuje kavitacijske sile ultrazvuka na grafitnim pahuljicama.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučni aparat od 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Disperzija i homogenizacija nanomaterijala
I za emulzije i za disperzije, priprema mješavina nano veličine je izazovan zadatak. Većina konvencionalnih tehnika homogenizacije i miješanja kao što su mješalice s oštricama, mlinovi za perle, homogenizatori pod visokim pritiskom i drugi mikseri sposobne su proizvesti čestice mikronske veličine, ali ne mogu pouzdano razbiti kapljice i čvrste tvari do nano-veličine. To je uglavnom zbog nedovoljnog intenziteta. Na primjer, mješalice s oštricama ne pružaju dovoljno smicanja za razbijanje čestica do nano-veličine. Mlinovi za perle, drugi tip homogenizatora, ne mogu ravnomjerno mljeti čvrste tvari do finije veličine čestica od samih kuglica (medija za mljevenje). Uobičajene brusne perle imaju prosječnu veličinu između 1500 mm – 35.000 mm. Drugi problem je kontaminacija habanjem medija za mljevenje. Budući da ultrazvučni aparati pružaju izuzetno visoke, a ipak precizno kontrolirane sile smicanja, ultrazvučna kavitacija je poželjna tehnika za pouzdanu proizvodnju nano-disperzija i nano-emulzija u laboratoriji (R&D), pilot i industrijske postavke.
Ultrazvučne disperzije pokazuju ujednačenu distribuciju veličine čestica sa homogeno redukovanim česticama. Krivulje pokazuju raspodjelu čestica silicijum dioksida prije ultrazvuka (zelena kriva) i nakon ultrazvučne disperzije (crvena kriva).
Povećanje ultrazvučnih procesa homogenizacije
Prilikom skaliranja sa laboratorijskog ultrazvučnog homogenizatora na pilot ultrazvučni aparat, i sa pilot sistema na ultrazvučni homogenizator pune proizvodnje, povećanje se može primijeniti potpuno linearno! Svi važni parametri procesa kao što su amplituda, pritisak, temperatura i vrijeme obrade se održavaju konstantnim, samo se površina ultrazvučne sonde i ultrazvučnog uređaja kao energetskog miješalica sonde skaliraju na veće, snažnije jedinice. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne homogenizacije omogućava da se u velikoj proizvodnji dobiju isti rezultati visokog kvaliteta kao u laboratorijskim i pilot postavkama.
Pronađite najprikladniji ultrazvučni homogenizator za vaš proces!
Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusan partner za ultrazvučne homogenizatore. Svi Hielscher ultrasonikatori su dizajnirani, proizvedeni i testirani u našem sjedištu u Njemačkoj prije nego što ih pošaljemo našim kupcima širom svijeta. Hielscher ultrazvučni homogenizatori su visokokvalitetni uređaji koje karakteriziraju konstantne visoke performanse, pouzdanost, robusnost i jednostavnost za korištenje. Tehnička sofisticiranost tehnologije ultrazvučne homogenizacije daje korisnicima Hielscher opreme konkurentske prednosti, što ih čini vodećim na tržištu u svojoj industriji. Sa širokim asortimanom proizvoda od laboratorijskih i stonih homogenizatora, pilot sistema i potpuno industrijskih ultrazvučnih homogenizatora za komercijalne proizvodnje, Hielscher ima idealan ultrazvučni sustav miješanja za vaše zahtjeve. Pribor za razdjelnik omogućava idealno postavljanje ultrazvučnog homogenizatora – odgovara individualnim potrebama.
Recite nam svoje zahtjeve i specifikacije procesa – rado ćemo vam preporučiti najprikladniji i najefikasniji ultrazvučni homogenizator za vašu primjenu!
Visoka efikasnost pomoću ultrazvučnih homogenizatora
Zbog izvanredne efikasnosti procesa, razumnih troškova ulaganja, vrlo visoke energetske efikasnosti i niskih troškova rada i održavanja, Hielscher ultrazvučni homogenizatori nadmašuju konvencionalne tehnike homogenizacije i postižu brzi povrat ulaganja (povrat ulaganja). Često se ultrazvučni homogenizator amortizira u roku od nekoliko mjeseci.
Ultrazvuk velike snage za industrijsku homogenizaciju
Amplituda je najvažniji parametar procesa u ultrazvučnim procesima homogenizacije. Svi Hielscher ultrasonikatori omogućuju preciznu kontrolu nad amplitudom. U zavisnosti od cilja procesa, niža amplituda se može postaviti za blaže uslove obrade ili se bira visoka amplituda za destruktivnije rezultate disperzije. Hielscher industrijski sonikatori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Niski zahtjevi za održavanje ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori nisu samo laki za čišćenje jer su sonotroda i reaktor jedine komponente koje su mokri dijelovi i dolaze u kontakt s obrađenim materijalom. Sonotrode (također poznat kao ultrazvučni rog ili sonda) i reaktor su napravljeni od titanijuma i nerđajućeg čelika, respektivno i imaju čistu geometriju bez otvora ili mrtvih uglova.
Jedini dio koji je podložan habanju je ultrazvučna sonda, koja se može zamijeniti bez značajnijih smetnji u radu. Sonotroda laboratorijskog ultrasonikatora se mijenja u roku od cca. 10 min, dok zamjena sonotrode industrijskog ultrazvučnog homogenizatora može trajati cca. 30-45 min.
Kontaktirajte nas sada! Naš iskusni tim će rado pružiti tehničke informacije i preporuke vezane za proces!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 0.3 do 60L | 0.6 do 12L/min | UIP6000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Često postavljana pitanja o homogenizatorima
- Koji je princip rada homogenizatora? Homogenizator primjenjuje sile smicanja na tekućine, suspenzije i suspenzije. Smicanje smanjuje veličinu čestica mješavine čvrsta-tečnost i tekućina-tečnost i proizvodi ujednačenu raspodjelu veličine čestica. Homogenizatori mogu proizvesti stabilne emulzije ili disperzije.
- Koji je princip procesa homogenizacije? Osnovni princip homogenizacije uključuje primjenu mehaničke sile, kao što je ultrazvučna vibracija i kavitacija na heterogenu smjesu kako bi se čestice razbile u ujednačeno fine veličine, postižući konzistentnu i stabilnu smjesu koja sprječava razdvajanje tokom vremena.
- Koja je primarna svrha homogenizacije? Primarna svrha homogenizacije je poboljšanje stabilnosti i konzistencije proizvoda smanjenjem veličine čestica. Ovaj proces poboljšava fizička svojstva smjese, kao što su viskoznost, tekstura i rok trajanja, što je čini ključnom u preradi hrane, farmaceutskim proizvodima i kozmetici.
Pročitajte više o ultrazvučnim homogenizatorima hrane! - Šta je ultrazvučna homogenizacija? Ultrazvučna homogenizacija koristi visokofrekventne zvučne talase da izazove kavitaciju u tečnom mediju, što rezultira intenzivnim silama smicanja koje razgrađuju čestice na mikroskopskom nivou. Ova metoda je posebno efikasna za ćelijske poremećaje, disperziju nanočestica i emulzifikaciju.
- Šta je sonikacija za homogenizaciju? Sonikacija za homogenizaciju uključuje primjenu ultrazvučne energije na uzorke kako bi se postiglo fino, ujednačeno miješanje. Ovaj proces je efikasan za dispergiranje, emulgiranje i smanjenje veličine čestica unutar fluida, koji se široko koristi u istraživačkom i industrijskom kontekstu.
- Koje su 2 vrste metoda sonikacije? Dvije osnovne vrste metoda sonikacije su direktna i indirektna sonikacija. Direktna sonikacija uključuje uranjanje sonde direktno u uzorak, dok se indirektna sonikacija događa u kadi gdje se uzorci stavljaju u posudu potopljenu u tekućinu pogodnu za ultrazvuk. Direktna sonikacija je obično intenzivnija i učinkovitija 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.