Homogenizátory – Princip fungování, použití a rozšiřování
Homogenizátory jsou typem mixérů, které působí mechanickými silami na míchání, emulgaci, dispergaci a rozpouštění systémů kapalina-kapalina a pevná látka-kapalina. V závislosti na modelu homogenizátoru se používají rotační nůžky, trysky nebo vysoce výkonný ultrazvuk k vytvoření potřebných sil k rozpadu a rozbití pevných částic i kapiček kapaliny. Zjistěte více o homogenizačních zařízeních a jejich aplikacích ve výzkumu a výrobě!
Co je to homogenizátor?
Homogenizátor je třída míchacích zařízení, která jsou určena k rozbíjení částic, pevných i kapalných, do jednotné směsi. Homogenizátory jsou k dispozici jako laboratorní, stolní a průmyslová zařízení používaná pro různé aplikace ve výzkumu a průmyslu. Typické použití homogenizátoru zahrnuje míchání a rozpad různých materiálů, včetně částic, pigmentů, chemikálií, rostlin, potravin, buněk, tkání a dalších.
Kontaktujte nás, abyste se dozvěděli více o homogenizátorech, sonikaci a o tom, jak můžete použít naše sonikátory pro váš proces!
MultiSonoReactor MSR-4 je průmyslový inline homogenizátor s ultrazvukovými zařízeními o výkonu 16 000 W pro náročné aplikace, jako jsou nanodisperze a nanoemulze.
Přehled různých typů homogenizátorů
Různé typy homogenizátorů jsou komerčně dostupné pro použití ve stolní a průmyslové velkosériové výrobě. Nejpoužívanějšími modely jsou však mixéry rotor/stator (koloidní), vysokotlaké homogenizátory a ultrazvukové homogenizátory.
Lopatkové mixéry s oběžným kolem nebo lopatkami mají rotující lopatku, která se otáčí vysokou rychlostí na dně míchací nádoby a spojuje tak různé materiály do homogenní směsi.
Jak již název směšovače rotor/stator napovídá, směšovač rotor/stator má rotorovou a statorovou součást. Rotor je kovová hřídel, která se ve statoru otáčí vysokou rychlostí. Stator je kovová část, která zůstává nehybná. Rotace rotoru vytváří sací efekt, který přesouvá pevný a kapalný materiál mezi statorem a rotorem, kde jsou pevné látky redukovány na menší velikost částic.
Princip činnosti vysokotlakého homogenizátoru (HPH) je založen na použití vysokotlakého čerpadla a ventilu (tryska, otvor), díky čemuž je zařízení velké, těžké a drahé. Zpracovaná suspenze je tlačena vysokou rychlostí proudění malým otvorem, což snižuje velikost částic, protože částice vyžadují určitou malou velikost, aby prošly ventilem. Zejména při zpracování pevných látek jsou HPH náchylné k ucpání.
Ultrazvukové homogenizátory využívají vysoké smykové síly generované akustickou kavitací, což jim dává různé výhody oproti jiným homogenizačním technikám. Princip činnosti a výhody ultrazvukové homogenizace jsou uvedeny níže.
Caution: Video "duration" is missing
Vysoce výkonný ultrazvuk jako homogenizační síla
Ultrazvukový homogenizátor využívá ultrazvukové vibrace a kavitaci s vysokou intenzitou k vytvoření velmi intenzivních smykových sil, a proto jej lze nazvat superintenzivním mixérem s vysokým smykem. Tajemstvím superintenzivních sil s vysokým smykem je akustická kavitace, která je generována vysoce výkonnými ultrazvukovými vlnami. Ultrazvukový homogenizátor má generátor, který je napájecím zdrojem a řídicí jednotkou, a převodník. Převodník obsahuje piezoelektrickou keramiku. Tato piezoelektrická keramika přeměňuje elektrickou energii na oscilaci, protože piezoelektrické krystaly mění svou velikost a tvar, když je přivedeno napětí. Když je frekvence elektronického oscilátoru rovna přirozené frekvenci piezoelektrického křemene, dochází k rezonanci. Za rezonančních podmínek vytváří křemen podélné ultrazvukové vlny s velkou amplitudou.
Generované ultrazvukové vlny jsou poté spojeny prostřednictvím ultrazvukové sondy (sonotroda? roh) s procesním médiem. Amplituda na ultrazvukové sondě určuje intenzitu ultrazvukových vln, které jsou přenášeny do kapaliny nebo suspenze. Ultrazvukové vlny generují střídavé vysokotlaké a nízkotlaké cykly v kapalných médiích. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny. Během vysokotlakého cyklu se malé vakuové bubliny destruktivně zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Imploze kavitačních bublin může také generovat kapalné trysky s vysokou rychlostí až 280 m/s, což má za následek silné smykové síly. Smykové síly rozbíjejí částice, způsobují kolizi mezi částicemi a mechanicky narušují kapky a buňky, čímž zároveň podporují vysoce účinný přenos hmoty. Tyto kavitační síly produkují rovnoměrné a homogenní disperze, emulze a suspenze a je také známo, že podporují chemické reakce (tzv. sonochemie).
Akustická kavitace (generovaná vysoce výkonným ultrazvukem) vytváří lokálně extrémní podmínky, tzv. sonomechanické a sonochemické účinky. Díky těmto účinkům sonikace redukuje pevné a kapalné částice a mísí je do homogenní formulace.
Ultrazvuková kavitace na kaskádové sondě ultrasonikator UIP1000hdT (1000 wattů, 20kHz) ve skleněném reaktoru. Červené světlo zespodu se používá ke zlepšení viditelnosti kavitace.
Ultrazvukové homogenizátory – Výhody
Ultrazvukové homogenizátory jsou vynikající, pokud jde o výrobu pevných částic a kapalin (tzv. Suspenzí) a suspenzí a roztoků kapalina-kapalina. Vzhledem k tomu, že ultrazvukové přístroje používají pracovní princip ultrazvukové kavitace, materiál by měl být mokrý nebo ve vlhké fázi, protože ke kavitaci dochází pouze v kapalině. To znamená, že ultrazvukový přístroj by nebyl příliš účinný při míchání suchého prášku, ale jakmile se prášek zvlhčí, sonikace je nejúčinnější metodou míchání. Ultrazvukové homogenizátory jsou dobře známé tím, že spolehlivě míchají, mísí a dispergují i pasty a vysoce viskózní materiály. Mimořádně intenzivní síly způsobené implozí kavitačních bublin vytvářejí nejen velmi silné síly s vysokým smykem, ale také lokálně omezené vysoké teploty a tlaky, jakož i příslušné diferenciály. Tato kombinace fyzikálních sil narušuje částice na mnohem menší velikosti než konvenční homogenizátor. Proto jsou ultrazvukové homogenizátory preferovaným zařízením pro spolehlivou výrobu nano emulzí a disperzí.
- Vynikající účinnost
- Schopnost dodávat vysoce koncentrovanou energii
- Vynikající výsledky v mikronových a nano
- pro emulze a disperze o velikosti mikronů a nano
- libovolný objem od ml do tun/hod
- Dávkové a inline
- pro jednoprůchod a recirkulaci
- Přesné řízení procesu
- jednoduchá obsluha
- Snadné čištění
- Nízké nároky na údržbu
Aplikace ultrazvukových homogenizátorů
Ultrazvukové homogenizátory jsou široce používány v laboratorních a průmyslových zařízeních k homogenizaci suspenzí pevná látka-kapalina a kapalina-kapalina, snížení velikosti částic, narušení a extrakce biologického materiálu, zesílení chemických reakcí a rozpuštění rozpustných sloučenin.
Ultrazvuková emulgace
Emulgace je proces smíchání dvou nebo více nemísitelných kapalin dohromady za účelem přípravy stabilní nebo polostabilní směsi. Obecně se tyto dvě kapaliny skládají z olejové fáze a vodné (vodné) fáze. Pro stabilizaci směsi různých kapalných fází se přidá emulgátor (povrchově aktivní látka? kopovrchově aktivní látka). Velikost kapiček emulze hraje klíčovou roli, pokud jde o funkčnost a stabilitu emulze. Vzhledem k tomu, že výkonový ultrazvuk vytváří sonomechanické síly, které rozbíjejí kapičky a redukují je na nepatrné kapičky, je sonikace velmi oblíbenou metodou pro výrobu mikronů a nanoemulzí. Ultrazvukové homogenizátory jsou spolehlivým nástrojem pro výrobu emulzí O/W a W/O, inverzních emulzí, dvojitých emulzí (O/W/O, W/O/W), miniemulzí a také Pickeringových emulzí. Na základě této flexibility a spolehlivé emulgační kapacity se ultrazvukové homogenizátory (někdy také nazývané ultrazvukové emulgátory, pokud se používají pro emulgaci) používají např. v chemickém, potravinářském, farmaceutickém a palivovém průmyslu k výrobě dlouhodobě stabilních emulzí.
Kliknutím na následující odkazy se dozvíte více o Nanoemulze a Pickeringovy emulze!
Ultrazvuková disperze
Ultrazvukové homogenizátory jsou velmi účinné, když aglomeráty částic, agregáty a dokonce i primární částice musí být spolehlivě zmenšeny. Výhodou ultrazvukových homogenizátorů je jejich schopnost mletí částic na menší a rovnoměrnější velikosti částic, ať už jsou mikronové nebo nanočástice cíleny jako výsledek procesu. Kavitační smykové síly a proudy kapalin urychlují částice tak, že se navzájem srážejí. Tento jev je znám jako srážka mezi částicemi. Samotné částice působí jako mlecí médium, které zabraňuje kontaminaci mlecími kuličkami a následnému procesu separace, který je nezbytný při použití konvenčních perlových mlýnů. Vzhledem k tomu, že částice se srážejí mezi částicemi velmi vysokou rychlostí až 280 m/s, působí na částice mimořádně vysoké síly, které se proto roztříští na nepatrné zlomky. Tření a eroze dávají těmto fragmentům částic leštěný povrch a rovnoměrně tvarovaný tvar. Kombinace smykových sil a kolize mezi částicemi dává ultrazvukové homogenizaci a disperzi výhodnou hranu poskytující vysoce homogenní koloidní suspenze a disperze!
Sekvence obrázků níže znázorňuje kavitační síly ultrazvuku na grafitových vločkách.
Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonikator s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěrbiny.
Disperze a homogenizace nanomateriálů
Jak pro emulze, tak pro disperze je příprava směsí nanorozměrů náročným úkolem. Většina konvenčních homogenizačních a míchacích technik, jako jsou nožové mixéry, perlové mlýny, vysokotlaké homogenizátory a další mixéry, je schopna produkovat částice o velikosti mikronů, ale nedokáže spolehlivě rozložit kapky a pevné látky až na nanovelikost. To je většinou způsobeno nedostatečnou intenzitou. Například nožové mixéry neposkytují dostatečný smyk pro rozbíjení částic na nanovelikost. Kuličkové mlýny, další typ homogenizátoru, nemohou mlít pevné látky rovnoměrně na jemnější velikost částic než samotné kuličky (mlecí média). Konvenční mlecí kuličky mají průměrnou velikost mezi 1 500 mm – 35 000 mm. Dalším problémem je znečištění mlecího média opotřebením. Vzhledem k tomu, že ultrasonikátory poskytují mimořádně vysoké, ale přesně kontrolovatelné smykové síly, je ultrazvuková kavitace preferovanou technikou pro spolehlivou výrobu nanodisperzí a nanoemulzí v laboratoři (R&D), pilotní a průmyslová nastavení.
Ultrazvukové disperze vykazují rovnoměrnou distribuci velikosti částic s homogenně redukovanými částicemi. Křivky ukazují distribuci částic oxidu křemičitého před ultrazvukem (zelená křivka) a po ultrazvukové disperzi (červená křivka).
Škálování ultrazvukových homogenizačních procesů
Při škálování z laboratorního ultrazvukového homogenizátoru na pilotní ultrazvukový homogenizátor a z pilotního systému na ultrazvukový homogenizátor v plném rozsahu lze škálování použít zcela lineární! Všechny důležité parametry procesu, jako je amplituda, tlak, teplota a doba zpracování, jsou udržovány konstantní, pouze povrchová plocha ultrazvukové sondy a ultrazvuku jako energetického míchadla sondy jsou škálovány na větší a výkonnější jednotky. Lineární škálovatelnost ultrazvukových homogenizačních procesů umožňuje získat ve velké výrobě stejně vysoce kvalitní výsledky jako v laboratorním a pilotním prostředí.
Najděte nejvhodnější ultrazvukový homogenizátor pro váš proces!
Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý zkušený partner pro ultrazvukové homogenizátory. Všechny Hielscher ultrasonicators jsou navrženy, vyráběny a testovány v naší centrále v Německu, než je odešleme našim zákazníkům po celém světě. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher jsou vysoce kvalitní zařízení, která se vyznačují konstantním vysokým výkonem, spolehlivostí, robustností a uživatelskou přívětivostí. Technická sofistikovanost ultrazvukové homogenizační technologie poskytuje uživatelům zařízení Hielscher konkurenční výhody, které z nich činí lídra na trhu ve svém oboru. S širokým sortimentem produktů od laboratorních a stolních homogenizátorů, pilotních systémů a plně průmyslových ultrazvukových homogenizátorů pro komerční výrobu má Hielscher ideální ultrazvukový míchací systém pro vaše požadavky. Příslušenství rozdělovače umožňuje ideální nastavení ultrazvukového homogenizátoru – přizpůsobení individuálním potřebám.
Sdělte nám své procesní požadavky a specifikace – Rádi vám doporučíme nejvhodnější a nejúčinnější ultrazvukový homogenizátor pro vaši aplikaci!
Vysoká účinnost pomocí ultrazvukových homogenizátorů
Díky mimořádné efektivitě procesu, přiměřeným investičním nákladům, velmi vysoké energetické účinnosti a nízkým nákladům na práci a údržbu ultrazvukové homogenizátory Hielscher překonávají konvenční homogenizační techniky a dosahují rychlé návratnosti investic. Ultrazvukový homogenizátor je často amortizován během několika měsíců.
Vysoce výkonný ultrazvuk pro průmyslovou homogenizaci
Amplituda je nejdůležitějším procesním parametrem v homogenizačních procesech řízených ultrazvukem. Všechny Hielscher ultrasonicators umožňují přesnou kontrolu nad amplitudou. V závislosti na cíli procesu lze nastavit nižší amplitudu pro mírnější podmínky zpracování nebo lze zvolit vysokou amplitudu pro destruktivnější výsledky disperze. Hielscher průmyslové sonikátory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Nízké požadavky na údržbu ultrazvukových homogenizátorů
Ultrazvukové homogenizátory se nejen snadno čistí, protože sonotroda a reaktor jsou jediné součásti, které jsou mokrými částmi a přicházejí do styku se zpracovávaným materiálem. Sonotroda (také známá jako ultrazvukový roh nebo sonda) a reaktor jsou vyrobeny z titanu a nerezové oceli a mají čistou geometrii bez otvorů nebo mrtvých rohů.
Jedinou částí, která podléhá opotřebení, je ultrazvuková sonda, kterou lze vyměnit bez významného narušení provozu. Sonotroda laboratorního ultrazvukového homogenizátoru se změní během cca. 10 minut, zatímco změna sonotrody průmyslového ultrazvukového homogenizátoru může trvat cca. 30-45 min.
Kontaktujte nás nyní! Náš zkušený tým vám rád poskytne technické informace a doporučení související s procesem!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml? min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 0.3 až 60L | 0.6 až 12 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l? min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Často kladené otázky o homogenizátorech
- Jaký je princip fungování homogenizátoru? Homogenizátor působí smykovými silami na kapaliny, suspenze a suspenze. Smyk snižuje velikost částic směsí pevná látka-kapalina a kapalina-kapalina a vytváří rovnoměrné distribuce velikosti částic. Homogenizátory mohou produkovat stabilní emulze nebo disperze.
- Jaký je princip homogenizačního procesu? Základní princip homogenizace zahrnuje použití mechanické síly, jako jsou ultrazvukové vibrace a kavitace, na heterogenní směs, aby se částice rozložily na rovnoměrně jemnou velikost, čímž se dosáhne konzistentní a stabilní směsi, která zabraňuje separaci v průběhu času.
- Jaký je primární účel homogenizace? Primárním účelem homogenizace je zlepšit stabilitu a konzistenci produktu snížením velikosti částic. Tento proces zlepšuje fyzikální vlastnosti směsi, jako je viskozita, textura a trvanlivost, což ji činí klíčovou při zpracování potravin, léčiv a kosmetiky.
Přečtěte si více o ultrazvukových homogenizátorech potravin! - Co je ultrazvuková homogenizace? Ultrazvuková homogenizace využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k vyvolání kavitace v kapalném médiu, což má za následek intenzivní smykové síly, které rozkládají částice na mikroskopické úrovni. Tato metoda je zvláště účinná pro buněčné narušení, disperzi nanočástic a emulgaci.
- Co je to sonikace pro homogenizaci? Sonikace pro homogenizaci zahrnuje aplikaci ultrazvukové energie na vzorky, aby se dosáhlo jemného a rovnoměrného míchání. Tento proces je účinný pro dispergaci, emulgaci a zmenšování velikosti částic v tekutině, široce používaný ve výzkumném i průmyslovém kontextu.
- Jaké jsou 2 typy metod sonikace? Dva primární typy metod sonikace jsou přímá a nepřímá sonikace. Přímá sonikace zahrnuje ponoření sondy přímo do vzorku, zatímco nepřímá sonikace nastává v lázni, kde jsou vzorky umístěny v nádobě ponořené do tekutiny vhodné pro sonikaci. Přímá sonikace je obvykle intenzivnější a účinnější pro homogenizaci než nepřímá sonikace.
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.