Homogenizátory – princip fungování, použití a převod do většího měřítka

Homogenizátory jsou typem mísicích zařízení, která využívají mechanické síly k mísení, emulgaci, dispergaci a rozpouštění systémů kapalina-kapalina a pevná látka-kapalina. V závislosti na modelu homogenizátoru se k vytvoření potřebných sil pro dezintegraci a rozbití pevných částic i kapalných kapiček používá rotační smyk, trysky nebo vysoce výkonný ultrazvuk. Zjistěte více o homogenizačních zařízeních a jejich použití ve výzkumu a výrobě!

Co je homogenizátor?

Homogenizátor je třída mísicích zařízení navržených k rozbíjení částic, pevných i kapalných, na jednotnou směs. Homogenizátory jsou k dispozici jako laboratorní, stolní a průmyslová zařízení používaná pro různé aplikace ve výzkumu a průmyslu. Typické použití homogenizátorů zahrnuje mísení a dezintegraci různých materiálů, mimo jiné částic, pigmentů, chemikálií, rostlin, potravin, buněk a tkání.

Kontaktujte nás a dozvíte se více o homogenizátorech, sonikaci a o tom, jak můžete naše sonikátory využít pro svůj proces!

Přehled různých typů homogenizátorů

Pro použití ve stolním měřítku a v průmyslové velkovýrobě je komerčně dostupná řada typů homogenizátorů. Nejrozšířenějšími modely jsou však rotor/statorové (koloidní) mixéry, vysokotlaké homogenizátory a ultrazvukové homogenizátory.
Lopatkové či nožové mixéry mají rotující nůž, který se otáčí vysokou rychlostí u dna míchací nádoby, a tím spojuje různé materiály do homogenní směsi.
Jak již naznačuje samotný název, rotor/statorový mixér má rotorovou a statorovou součást. Rotor je kovový hřídel, který se vysokou rychlostí otáčí uvnitř statoru. Stator je kovová část, která zůstává nehybná. Otáčení rotoru vytváří sací efekt, který posouvá směs pevné látky a kapaliny mezi statorem a rotorem, kde se pevné látky zmenšují na menší velikost částic.
Princip činnosti vysokotlakého homogenizátoru (HPH) je založen na použití vysokotlakého čerpadla a ventilu (trysky, clony), díky čemuž je zařízení velké, těžké a drahé. Zpracovávaná suspenze je vysokou rychlostí proudění protlačována malým otvorem, což zmenšuje velikost částic, protože částice musí mít určitou malou velikost, aby ventilem prošly. Zejména při zpracování pevných látek mají HPH sklon k ucpávání.
Ultrazvukové homogenizátory využívají vysoké smykové síly generované akustickou kavitací, což jim dává řadu výhod oproti jiným homogenizačním technikám. Princip činnosti a výhody ultrazvukové homogenizace jsou představeny níže.

Vysoce výkonný ultrazvuk jako homogenizační síla

Ultrazvukový homogenizátor využívá vysoce intenzivní ultrazvukové vibrace a kavitaci k vytváření velmi intenzivních smykových sil, a lze jej proto nazvat superintenzivním mixérem s vysokým smykem. Tajemstvím superintenzivních vysokých smykových sil je akustická kavitace, která je generována vysoce výkonnými ultrazvukovými vlnami. Ultrazvukový homogenizátor má generátor, který je napájecí a řídicí jednotkou, a měnič. Měnič obsahuje piezoelektrickou keramiku. Tato piezoelektrická keramika přeměňuje elektrickou energii na kmitání, protože piezoelektrické krystaly při přivedení napětí mění svou velikost a tvar. Když se frekvence elektronického oscilátoru rovná vlastní frekvenci piezoelektrického křemene, nastává rezonance. Za rezonančních podmínek křemen vytváří podélné ultrazvukové vlny s velkou amplitudou.
Vygenerované ultrazvukové vlny se poté přenášejí přes ultrazvukovou sondu (sonotrodu) do procesního média. Amplituda na ultrazvukové sondě určuje intenzitu ultrazvukových vln, které se přenášejí do kapaliny nebo suspenze. Ultrazvukové vlny vytvářejí v kapalném prostředí střídavé cykly vysokého a nízkého tlaku. Během cyklu nízkého tlaku vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bublinky. Během cyklu vysokého tlaku malé vakuové bublinky destruktivně kolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Implozí kavitačních bublin mohou také vznikat kapalinové proudy s vysokou rychlostí až 280 m/s, které vedou k silným smykovým silám. Smykové síly rozbíjejí částice, způsobují srážky mezi částicemi a mechanicky narušují kapičky a buňky, přičemž současně podporují vysoce účinný přenos hmoty. Tyto kavitační síly vytvářejí jednotné 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 zmenšuje pevné a kapalné částice a mísí je do homogenní formulace.

Výhody použití sonikátorů jako homogenizátorů

Ultrazvukové homogenizátory jsou vynikající, pokud jde o výrobu suspenzí a roztoků typu pevná látka-kapalina (tzv. kašovité suspenze) a kapalina-kapalina. Protože ultrazvukové přístroje využívají princip ultrazvukové kavitace, měl by být materiál mokrý nebo v mokré fázi, neboť kavitace vzniká pouze v kapalině. To znamená, že ultrazvukový přístroj by nebyl příliš účinný při míchání suchého prášku, ale jakmile je prášek smáčen, je sonikace nejúčinnější metodou pro mísení. 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 vysoké smykové síly, ale také lokálně omezené vysoké teploty a tlaky a jejich příslušné rozdíly. Tato kombinace fyzikálních sil rozbíjí částice na mnohem menší velikosti než konvenční homogenizátor. Proto jsou ultrazvukové homogenizátory preferovaným zařízením pro spolehlivou výrobu emulzí a disperzí nanometrické velikosti.

Aplikace ultrazvukových homogenizátorů

Ultrazvukové homogenizátory se široce používají v laboratorních a průmyslových zařízeních k homogenizaci suspenzí typu pevná látka-kapalina a kapalina-kapalina, zmenšování velikosti částic, dezintegraci a extrakci biologického materiálu, intenzifikaci chemických reakcí a rozpouštění rozpustných sloučenin.

Ultrazvuková emulgace

Emulgace je proces mísení dvou nebo více nemísitelných kapalin s cílem připravit stabilní nebo semistabilní směs. Obecně se tyto dvě kapaliny skládají z olejové fáze a vodné (vodní) fáze. Ke stabilizaci směsi různých kapalných fází se přidává emulgátor (povrchově aktivní látka / ko-surfaktant). Velikost kapiček emulze hraje zásadní roli, pokud jde o funkčnost a stabilitu emulze. Protože výkonový ultrazvuk vytváří sonomechanické síly, které rozbíjejí kapičky a zmenšují je na drobné kapičky, je sonikace velmi oblíbenou metodou pro výrobu mikro- 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 i Pickeringových emulzí. Díky této flexibilitě a spolehlivé emulgační kapacitě se ultrazvukové homogenizátory (při použití k emulgaci někdy nazývané také ultrazvukové emulgátory) používají např. v chemickém, potravinářském, farmaceutickém a palivovém průmyslu k výrobě dlouhodobě stabilních emulzí.
Kliknutím na následující odkazy se dozvíte více o nanoemulzích a Pickeringových emulzích!

Ultrazvuková dispergace

Ultrazvukové homogenizátory jsou velmi účinné, když je třeba spolehlivě zmenšit aglomeráty a agregáty částic, a dokonce i primární částice. Výhodou ultrazvukových homogenizátorů je jejich schopnost mlít částice na menší a jednotnější velikosti, ať už je cílem procesu získat mikročástice, nebo nanočástice. Kavitační smykové síly a proudy kapaliny urychlují částice tak, že se navzájem srážejí. Tento jev je znám jako srážky mezi částicemi. Samotné částice působí jako mlecí médium, čímž se zabrání kontaminaci mlecími kuličkami a následnému separačnímu procesu, který je nutný při použití konvenčních kuličkových mlýnů. Protože se částice při vzájemných srážkách střetávají při velmi vysokých rychlostech až 280m/sec, působí na ně mimořádně vysoké síly, takže se roztříští na drobné fragmenty. Tření a eroze dávají těmto úlomkům částic leštěný povrch a rovnoměrný tvar. Kombinace smykových sil a srážek mezi částicemi dává ultrazvukové homogenizaci a dispergaci výhodnou převahu při dosahování vysoce homogenních koloidních suspenzí a disperzí!
Níže uvedená sekvence snímků znázorňuje kavitační síly ultrazvuku působící na grafitové vločky.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) znázorňující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, ultrazvukového přístroje o výkonu 200W se 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace), do jehož trhliny pronikají kavitační bubliny.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispergace a homogenizace nanomateriálů

U emulzí i disperzí je příprava směsí nanometrické velikosti náročným úkolem. Většina konvenčních homogenizačních a mísicích technik, jako jsou nožové mixéry, kuličkové mlýny, vysokotlaké homogenizátory a další mixéry, je schopna vyrábět částice mikrometrické velikosti, ale nedokáže spolehlivě rozbít kapičky a pevné látky až na nanometrickou velikost. Je to většinou způsobeno nedostatečnou intenzitou. Například nožové mixéry neposkytují dostatečný smyk k rozbití částic na nanometrickou velikost. Kuličkové mlýny, další typ homogenizátoru, nedokážou rovnoměrně namlít pevné látky na jemnější velikost částic, než je velikost samotných kuliček (mlecího média). Konvenční mlecí kuličky mají průměrnou velikost mezi 1 500 mm – 35 000 mm. Dalším problémem je kontaminace způsobená opotřebením mlecího média. Protože ultrazvukové přístroje poskytují mimořádně vysoké, a přesto přesně řiditelné smykové síly, je ultrazvuková kavitace preferovanou technikou pro spolehlivou výrobu nanodisperzí a nanoemulzí v laboratorním (výzkum a vývoj), pilotním a průmyslovém prostředí.

Převod ultrazvukových homogenizačních procesů do většího měřítka

Při přechodu z laboratorního ultrazvukového homogenizátoru na pilotní ultrazvukový přístroj a z pilotního systému na ultrazvukový homogenizátor pro plnou výrobu lze zvětšení měřítka provést zcela lineárně! Všechny důležité procesní parametry, jako je amplituda, tlak, teplota a doba zpracování, se udržují konstantní; na větší a výkonnější jednotky se zvětšuje pouze plocha povrchu ultrazvukové sondy a ultrazvukový přístroj jako energetický pohon sondy. Lineární škálovatelnost ultrazvukových homogenizačních procesů umožňuje dosáhnout ve velkovýrobě stejně vysoce kvalitních výsledků jako v laboratorním a pilotním prostředí.

Najděte nejvhodnější ultrazvukový homogenizátor pro svůj proces!

Hielscher Ultrasonics je vaším dlouholetým zkušeným partnerem v oblasti ultrazvukových homogenizátorů. Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher jsou navrženy, vyrobeny a testovány v našem sídle v Německu, než je odešleme našim zákazníkům po celém světě. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher jsou vysoce kvalitní zařízení, která se vyznačují trvale vysokým výkonem, spolehlivostí, robustností a uživatelskou přívětivostí. Technická vyspělost ultrazvukové homogenizační technologie poskytuje uživatelům zařízení Hielscher konkurenční výhody, díky nimž se stávají lídry trhu ve svém odvětví. Díky široké nabídce produktů od laboratorních a stolních homogenizátorů přes pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové homogenizátory pro komerční výrobu má Hielscher ideální ultrazvukový mísicí systém pro vaše požadavky. Rozmanité příslušenství umožňuje ideální sestavu ultrazvukového homogenizátoru – odpovídající individuálním potřebám.
Sdělte nám požadavky a specifikace svého procesu – rádi vám doporučíme nejvhodnější a nejúčinnější ultrazvukový homogenizátor pro vaši aplikaci!

Vysoká účinnost díky ultrazvukovým homogenizátorům

Díky mimořádné účinnosti procesu, přiměřeným investičním nákladům, velmi vysoké energetické účinnosti a nízkým nákladům na práci a údržbu předčí ultrazvukové homogenizátory Hielscher konvenční homogenizační techniky a dosahují rychlé RoI (návratnosti investic). Ultrazvukový homogenizátor se často amortizuje během několika měsíců.

Vysoce výkonný ultrazvuk pro průmyslovou homogenizaci

Amplituda je nejdůležitějším procesním parametrem v homogenizačních procesech poháněných ultrazvukem. Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher umožňují přesné řízení amplitudy. V závislosti na cíli procesu lze nastavit nižší amplitudu pro mírnější podmínky zpracování, nebo se zvolí vysoká amplituda pro destruktivnější výsledky dispergace. Průmyslové sonikátory Hielscher mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.

Nízké nároky na údržbu ultrazvukových homogenizátorů

Ultrazvukové homogenizátory se mimo jiné snadno čistí, protože sonotroda a reaktor jsou jedinými součástmi, které jsou smáčenými díly a přicházejí do kontaktu se zpracovávaným materiálem. Sonotroda (známá také jako ultrazvuková sonda) a reaktor jsou vyrobeny z titanu, resp. z nerezové oceli a mají čisté geometrie bez otvorů či mrtvých koutů.
Jedinou částí, která podléhá opotřebení, je ultrazvuková sonda, kterou lze vyměnit bez výraznějšího narušení provozu. Sonotroda laboratorního ultrazvukového přístroje se vymění přibližně za 10 min, zatímco výměna sonotrody průmyslového ultrazvukového homogenizátoru může trvat přibližně 30–45 min.

Kontaktujte nás hned teď! Náš zkušený tým vám rád poskytne technické informace a doporučení týkající se procesu!

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou kapacitu zpracování našich ultrazvukových přístrojů: