Homogenisatorer – Arbejdsprincip, brug og opskalering

Homogenisatorer er en type blandere, der anvender mekaniske kræfter til at blande, emulgere, sprede og opløse væske-væske- og fast-væske-systemer. Afhængigt af homogeniseringsmodellen bruges rotationsforskydning, dyser eller ultralyd med høj effekt til at skabe de nødvendige kræfter til at opløse og nedbryde faste partikler såvel som væskedråber. Lær mere om homogenisatorenheder og deres anvendelser inden for forskning og produktion!

Hvad er en homogenisator?

En homogenisator er en klasse af blandeanordninger, der er designet til at bryde partikler, både faste og flydende, til en ensartet blanding. Homogenisatorer fås som laboratorie-, bord- og industrielt udstyr, der bruges til forskellige applikationer inden for forskning og industri. Typisk anvendelse af homogenisator omfatter blanding og nedbrydning af forskellige materialer, herunder partikler, pigmenter, kemikalier, planter, mad, celler, væv, blandt andre.

Kontakt os venligst for at lære mere om homogenisatorer, sonikering, og hvordan du kan bruge vores sonikere til din proces!

Oversigt over forskellige homogenisatortyper

Forskellige homogenisatortyper er kommercielt tilgængelige til brug i bord- og industriel storskalaproduktion. Imidlertid er rotor / stator (kolloid) blandere, højtrykshomogenisatorer og ultralydshomogenisatorer de mest udbredte modeller.
Pumpehjul eller knivblandere har et roterende blad, der roterer med høj hastighed i bunden af blandebeholderen og derved kombinerer forskellige materialer til en homogen blanding.
Som navnet på rotor-/statorblanderen allerede antyder, har en rotor-/statorblander en rotor og en statorkomponent. Rotoren er en metalaksel, der roterer med høje hastigheder i statoren. Statoren er den metaldel, der forbliver stationær. Rotorens rotation skaber en sugeeffekt, der flytter det fast-flydende materiale mellem statoren og rotoren, hvor de faste stoffer reduceres til mindre partikelstørrelse.
Arbejdsprincippet for højtrykshomogenisatoren (HPH) er baseret på brugen af en højtrykspumpe og en ventil (dyse, åbning), hvilket gør udstyret stort, tungt og dyrt. Den forarbejdede gylle tvinges med høj strømningshastighed gennem en lille åbning, hvilket reducerer partikelstørrelsen, da partikler kræver en vis lille størrelse for at passere gennem ventilen. Især ved behandling af faste stoffer er HPH'er tilbøjelige til tilstopning.
Ultralydshomogenisatorer bruger de høje forskydningskræfter, der genereres af akustisk kavitation, hvilket giver dem forskellige fordele i forhold til andre homogeniseringsteknikker. Arbejdsprincippet og fordelene ved ultralydshomogenisering er præsenteret nedenfor.

Ultralyd med høj effekt som homogeniserende kraft

En ultralydshomogenisator bruger ultralydsvibrationer og kavitation med høj intensitet til at skabe meget intense forskydningskræfter og kan derfor kaldes en superintens mixer med høj forskydning. Hemmeligheden bag de superintense højforskydningskræfter er akustisk kavitation, som genereres af ultralydsbølger med høj effekt. En ultralydshomogenisator har en generator, som er strømforsynings- og styreenheden, og en transducer. Transduceren indeholder piezo-elektrisk keramik. Disse piezo-elektriske keramikker omdanner den elektriske energi til svingninger, da de piezoelektriske krystaller ændrer deres størrelse og form, når der påføres spænding. Når frekvensen af den elektroniske oscillator er lig med den naturlige frekvens af den piezoelektriske kvarts, opstår resonans. Under resonansforhold producerer kvartsen langsgående ultralydsbølger med stor amplitude.
De genererede ultralydsbølger kobles derefter via ultralydssonden (sonotrode / horn) ind i procesmediet. Amplituden ved ultralydssonden bestemmer intensiteten af ultralydsbølger, der transmitteres i væsken eller opslæmningen. Ultralydsbølgerne genererer skiftevis højtryks- og lavtrykscyklusser i flydende medier. Under lavtrykscyklussen producerer ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler i væsken. Under højtrykscyklussen kollapser små vakuumbobler destruktivt. Dette fænomen kaldes kavitation. Implosion af kavitationsbobler kan også generere væskestråler med en høj hastighed på op til 280 m/s, hvilket resulterer i kraftige forskydningskræfter. Forskydningskræfterne bryder partiklerne, forårsager kollision mellem partikler og forstyrrer dråber og celler mekanisk, hvilket samtidig fremmer en meget effektiv masseoverførsel. Disse kavitationskræfter producerer ensartede og homogene dispersioner, emulsioner og suspensioner og er også kendt for at fremme kemiske reaktioner (såkaldt sonokemi).

Akustisk kavitation (genereret af ultralyd med høj effekt) skaber lokalt ekstreme forhold, såkaldte sonomekaniske og sonokemiske effekter. På grund af disse virkninger reducerer sonikering faste og flydende partikler og blander dem til en homogen formulering.

Ultralyd homogenisatorer – Fordele

Ultralydshomogenisatorer er overlegne, når det kommer til produktion af fast-væske (såkaldte opslæmninger) og væske-væske suspensioner og opløsninger. Da ultralydapparater bruger arbejdsprincippet for ultralydskavitation, skal materialet være vådt eller i en våd fase, da kavitation kun forekommer i væske. Dette betyder, at en ultralydsapparat ikke ville være særlig effektiv til at blande et tørt pulver, men så snart pulveret bliver befugtet, er sonikering den mest effektive metode til blanding. Ultralydshomogenisatorer er velkendte for pålideligt at blande, blande og sprede selv pastaer og meget viskøse materialer. De ekstraordinært intense kræfter forårsaget af implosionen af kavitationsbobler skaber ikke kun meget kraftige højforskydningskræfter, men også lokalt begrænsede høje temperaturer og tryk samt respektive differentialer. Denne kombination af fysiske kræfter forstyrrer partikler til meget mindre størrelser end en konventionel homogenisator. Derfor er ultralydshomogenisatorer det foretrukne udstyr til pålidelig produktion af emulsioner og dispersioner i nanostørrelse.

Anvendelser af ultralydshomogenisatorer

Ultralydshomogenisatorer anvendes i vid udstrækning i laboratorie- og industrifaciliteter til at homogenisere fast-væske og væske-væske suspensioner, reducere partikelstørrelse, forstyrre og ekstrahere biologisk materiale, intensivere kemiske reaktioner og opløse opløselige forbindelser.

Ultralyd emulgering

Emulgering er processen med at blande to eller flere ikke-blandbare væsker sammen for at fremstille en stabil eller semistabil blanding. Generelt består disse to væsker af en oliefase og en vandig (vand) fase. For at stabilisere blandingen af de forskellige væskefaser tilsættes en emulgator (overfladeaktivt stof / co-overfladeaktivt middel). Dråbestørrelsen af en emulsion spiller en afgørende rolle, når det kommer til funktionaliteten og stabiliteten af en emulsion. Da power-ultralyd skaber sonomekaniske kræfter, der bryder dråber op og reducerer dem til små dråber, er sonikering en meget populær metode til fremstilling af mikron- og nano-emulsioner. Ultralydshomogenisatorer er et pålideligt værktøj til fremstilling af O / W og W / O-emulsioner, inverse emulsioner, dobbeltemulsioner (O / W / O, W / O / W), mini-emulsioner samt Pickering-emulsioner. Baseret på denne fleksibilitet og den pålidelige emulgeringskapacitet anvendes ultralydshomogenisatorer (undertiden også kaldet ultralydsemulgatorer, når de bruges til emulgering) f.eks. i den kemiske, fødevare-, farmaceutiske og brændstofindustri til at producere langsigtede stabile emulsioner.
Klik på følgende links for at få mere at vide om nano-emulsioner og Pickering emulsioner!

Ultralyd dispersion

Ultralydshomogenisatorer er meget effektive, når partikelagglomerater, aggregater og endda primære partikler skal reduceres pålideligt i størrelse. Fordelen ved ultralydshomogenisatorer er deres evne til at fræse partikler ned til mindre og mere ensartede partikelstørrelser, uanset om mikron- eller nanopartikler er målrettet som procesresultat. Kavitationelle forskydningskræfter og væskestrømme accelererer partikler, så de kolliderer med hinanden. Dette er kendt som interpartikelkollision. Partiklerne fungerer selv som fræsemedium, hvilket undgår forurening ved formaling af perler og den efterfølgende separationsproces, som er nødvendig, når der anvendes konventionelle perlemøller. Da partiklen kolliderer ved interpartikelkollision ved meget høje hastigheder på op til 280 m/sek., påføres partiklerne ekstraordinært høje kræfter, som derfor splintres i bittesmå fraktioner. Friktion og erosion giver disse partikelfragmenter en poleret overflade og ensartet formet. Kombinationen af forskydningskræfter og interpartikelkollision giver ultralydshomogenisering og dispersion den fordelagtige kant, der leverer meget homogene kolloide suspensioner og dispersioner!
Billedsekvensen nedenfor viser ultralydens kavitationskræfter på grafitflager.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling (eksfoliering) med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersion og homogenisering af nanomaterialer

For både emulsioner og dispersioner er fremstillingen af blandinger i nanostørrelse en udfordrende opgave. De fleste konventionelle homogeniserings- og blandingsteknikker såsom vingeblandere, perlemøller, højtrykshomogenisatorer og andre blandere er i stand til at producere partikler i mikronstørrelse, men de kan ikke pålideligt nedbryde dråber og faste stoffer ned til nanostørrelse. Dette skyldes for det meste utilstrækkelig intensitet. For eksempel giver bladblandere ikke nok forskydning til at bryde partikler til nanostørrelse. Perlemøller, en anden type homogenisator, kan ikke fræse faste stoffer ensartet til en finere partikelstørrelse end selve perlerne (slibemedier). Konventionelle slibeperler har en gennemsnitlig størrelse mellem 1.500 mm – 35.000 mm. Et andet problem er forurening ved slid på fræsemediet. Da ultralydapparater giver ekstraordinært høje, men præcist kontrollerbare forskydningskræfter, er ultralydskavitation den foretrukne teknik til pålidelig produktion af nanodispersion og nano-emulsioner i laboratoriet (R&D), pilot- og industrielle opsætninger.

Opskalering af ultralydshomogeniseringsprocesser

Ved opskalering fra en laboratorie ultralydshomogenisator til en pilot ultralydsapparat og fra et pilotsystem til en fuldskala produktion ultralydshomogenisator, kan opskaleringen anvendes helt lineær! Alle vigtige procesparametre såsom amplitude, tryk, temperatur og behandlingstid holdes konstante, kun overfladearealet af ultralydssonden og ultralydsapparatet som energisk omrører af sonden skaleres til større, mere kraftfulde enheder. Den lineære skalerbarhed af ultralydshomogeniseringsprocesser gør det muligt at opnå de samme resultater af høj kvalitet i stor produktion som i laboratorie- og pilotindstillinger.

Find den bedst egnede ultralydshomogenisator til din proces!

Hielscher Ultrasonics er din mangeårige erfarne partner til ultralydshomogenisatorer. Alle Hielscher ultralydapparater er designet, fremstillet og testet i vores hovedkvarter i Tyskland, før vi sender dem til vores kunder over hele verden. Hielscher ultralydshomogenisatorer er enheder af høj kvalitet, der er kendetegnet ved konstant høj ydeevne, pålidelighed, robusthed og brugervenlighed. Teknisk sofistikering af ultralydshomogeniseringsteknologien giver brugerne af Hielscher-udstyr konkurrencefordele, hvilket gør dem til markedsleder i deres branche. Med det brede produktsortiment fra laboratorie- og bord-top homogenisatorer, pilotsystemer og fuldindustrielle ultralydshomogenisatorer til kommercielle produktioner har Hielscher det ideelle ultralydsblandingssystem til dine behov. Manifoldtilbehøret giver mulighed for den ideelle ultralydshomogenisatoropsætning – matcher individuelle behov.
Fortæl os dine proceskrav og specifikationer – Vi vil med glæde anbefale dig den bedst egnede og effektive ultralydshomogenisator til din applikation!

Høj effektivitet ved hjælp af ultralydshomogenisatorer

På grund af ekstraordinær proceseffektivitet, rimelige investeringsomkostninger, meget høj energieffektivitet og lave arbejds- og vedligeholdelsesomkostninger udkonkurrerer Hielscher ultralydshomogenisatorer konventionelle homogeniseringsteknikker og opnår en hurtig ROI (Return on Investment). Ofte afskrives en ultralydshomogenisator inden for få måneder.

Ultralyd med høj effekt til industriel homogenisering

Amplituden er den vigtigste procesparameter i ultralydsdrevne homogeniseringsprocesser. Alle Hielscher ultralydapparater tillader den præcise kontrol over amplituden. Afhængigt af procesmålet kan der indstilles en lavere amplitude til mildere behandlingsforhold, eller der vælges en høj amplitude for mere destruktive dispersionsresultater. Hielscher industrielle sonikere kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.

Lave vedligeholdelseskrav til ultralydshomogenisatorer

Ultralydshomogenisatorer er ikke kun lette at rengøre, da sonotroden og reaktoren er de eneste komponenter, der er våde dele og kommer i kontakt med det forarbejdede materiale. Sonotrode (også kendt som ultralydshorn eller sonde) og reaktor er lavet af henholdsvis titanium og rustfrit stål og har rene geometrier uden åbninger eller døde hjørner.
Den eneste del, der er udsat for slitage, er ultralydssonden, som kan udskiftes uden væsentlig afbrydelse af driften. Sonotroden af en laboratorie ultralydsapparat ændres inden for ca. 10 min, mens skiftet af en sonotrode af en industriel ultralydshomogenisator kan tage ca. 30-45 min.

Kontakt os nu! Vores velerfarne team vil med glæde give teknisk information og procesrelaterede anbefalinger!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: