Homogenisatorer – Funktionsprincip, anvendelse og opskalering

Homogenisatorer er en type blandere, der anvender mekaniske kræfter til at blande, emulgere, dispergere og opløse væske-væske- og faststof-væske-systemer. Afhængigt af homogenisatormodellen anvendes rotationsbetinget forskydning, dyser eller ultralyd med høj effekt til at skabe de nødvendige kræfter til at desintegrere og nedbryde faste partikler såvel som væskedråber. Læs mere om homogenisatorer og deres anvendelser inden for forskning og produktion!

Hvad er en homogenisator?

En homogenisator er en type blandeudstyr, der er konstrueret til at nedbryde både faste partikler og væskepartikler til en ensartet blanding. Homogenisatorer fås som laboratorieudstyr, bordmodeller og industrielt udstyr til forskellige anvendelser inden for forskning og industri. Typiske anvendelser af homogenisatorer omfatter blanding og desintegration af forskellige materialer, herunder blandt andet partikler, pigmenter, kemikalier, planter, fødevarer, celler og væv.

Kontakt os for at få mere at vide om homogenisatorer, sonikering og hvordan du kan bruge vores sonikatorer til din proces!

Oversigt over forskellige typer homogenisatorer

Forskellige typer homogenisatorer er kommercielt tilgængelige til brug i produktion med bordudstyr og industriel storskalaproduktion. Rotor/stator-blandere (kolloidblandere), højtrykshomogenisatorer og ultralydshomogenisatorer er dog de mest anvendte modeller.
Impeller- eller bladblandere har et roterende blad, der drejer med høj hastighed i bunden af blandebeholderen og derved forener forskellige materialer til en homogen blanding.
Som navnet rotor/stator-blander allerede antyder, har en rotor/stator-blander en rotor- og en statorkomponent. Rotoren er en metalaksel, der roterer med høj hastighed inde i statoren. Statoren er den metaldel, der forbliver stationær. Rotorens rotation skaber en sugevirkning, der flytter faststof-væske-materialet ind mellem statoren og rotoren, hvor de faste stoffer reduceres til en mindre partikelstørrelse.
Højtrykshomogenisatorens (HPH) funktionsprincip er baseret på brugen af en højtrykspumpe og en ventil (dyse, åbning), hvilket gør udstyret stort, tungt og dyrt. Den behandlede opslæmning presses med høj strømningshastighed gennem en lille åbning, hvilket reducerer partikelstørrelsen, da partiklerne skal have en vis lille størrelse for at kunne passere gennem ventilen. Højtrykshomogenisatorer er tilbøjelige til at tilstoppe, især ved behandling af faste stoffer.
Ultralydshomogenisatorer anvender de kraftige forskydningskræfter, der genereres af akustisk kavitation, hvilket giver dem forskellige fordele i forhold til andre homogeniseringsteknikker. Funktionsprincippet og fordelene ved ultralydshomogenisering præsenteres nedenfor.

Ultralyd med høj effekt som homogeniserende kraft

En ultralydshomogenisator anvender ultralydsvibrationer med høj intensitet og kavitation til at skabe meget intense forskydningskræfter og kan derfor betegnes som en superintens blander med kraftig forskydningsvirkning. Hemmeligheden bag de superintense forskydningskræfter er akustisk kavitation, som genereres af ultralydsbølger med høj effekt. En ultralydshomogenisator har en generator, der fungerer som strømforsyning og styreenhed, samt en transducer. Transduceren indeholder piezoelektrisk keramik. Denne piezoelektriske keramik omdanner den elektriske energi til svingninger, da de piezoelektriske krystaller ændrer størrelse og form, når der påføres spænding. Når den elektroniske oscillators frekvens er lig med den piezoelektriske kvarts’ egenfrekvens, opstår der resonans. Under resonansforhold frembringer kvartsen longitudinale ultralydsbølger med stor amplitude.
De genererede ultralydsbølger kobles derefter ind i procesmediet via ultralydssonden (sonotrode / horn). Amplituden ved ultralydssonden bestemmer intensiteten af de ultralydsbølger, der overføres til væsken eller opslæmningen. Ultralydsbølgerne genererer skiftevis højtryks- og lavtrykscyklusser i flydende medier. Under lavtrykscyklussen frembringer ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler i væsken. Under højtrykscyklussen kollapser de 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 nedbryder partiklerne, forårsager kollisioner mellem partikler og bryder dråber og celler op mekanisk, samtidig med at de fremmer en meget effektiv masseoverførsel. Disse kavitationskræfter frembringer 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 effekter reducerer sonikering størrelsen af faste partikler og væskepartikler og blander dem til en homogen formulering.

Fordele ved at bruge sonikatorer som homogenisatorer

Ultralydshomogenisatorer er overlegne, når det gælder fremstilling af faststof-væske- (såkaldte opslæmninger) og væske-væske-suspensioner og -opløsninger. Da ultralydsapparater anvender ultralydskavitation som funktionsprincip, bør materialet være vådt eller befinde sig i en våd fase, eftersom kavitation kun forekommer i væske. Det betyder, at et ultralydsapparat ikke ville være særlig effektivt 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 kunne blande, sammenblande og dispergere selv pastaer og meget viskøse materialer. De ekstraordinært intense kræfter, der skyldes kavitationsboblernes implosion, skaber ikke blot meget kraftige forskydningskræfter, men også lokalt afgrænsede høje temperaturer og tryk samt tilsvarende temperatur- og trykforskelle. Denne kombination af fysiske kræfter nedbryder partikler til langt mindre størrelser end en konventionel homogenisator. Derfor er ultralydshomogenisatorer det foretrukne udstyr til pålidelig fremstilling af emulsioner og dispersioner i nanostørrelse.

Anvendelser af ultralydshomogenisatorer

Ultralydshomogenisatorer anvendes i vid udstrækning i laboratorier og industrianlæg til at homogenisere faststof-væske- og væske-væske-suspensioner, reducere partikelstørrelsen, nedbryde og ekstrahere biologisk materiale, intensivere kemiske reaktioner og opløse opløselige forbindelser.

Ultralydsemulgering

Emulgering er processen, hvor to eller flere ikke-blandbare væsker blandes sammen for at fremstille en stabil eller semistabil blanding. Generelt består disse to væsker af en oliefase og en vandig fase (vandfase). For at stabilisere blandingen af de forskellige væskefaser tilsættes en emulgator (tensid / cotensid). En emulsions dråbestørrelse spiller en afgørende rolle for emulsionens funktionalitet og stabilitet. Da ultralyd med høj effekt skaber sonomekaniske kræfter, som bryder dråber op og reducerer dem til meget små dråber, er sonikering en meget populær metode til fremstilling af mikro- og nanoemulsioner. Ultralydshomogenisatorer er et pålideligt værktøj til fremstilling af O/W- og W/O-emulsioner, inverse emulsioner, dobbeltemulsioner (O/W/O, W/O/W), miniemulsioner samt Pickering-emulsioner. På grund af denne fleksibilitet og den pålidelige emulgeringskapacitet anvendes ultralydshomogenisatorer (undertiden også kaldet ultralydsemulgatorer, når de bruges til emulgering) eksempelvis i kemi-, fødevare-, lægemiddel- og brændstofindustrien til at fremstille langtidsstabile emulsioner.
Klik på følgende links for at få mere at vide om nanoemulsioner og Pickering-emulsioner!

Ultralydsdispergering

Ultralydshomogenisatorer er meget effektive, når partikelagglomerater, aggregater og selv primærpartikler skal reduceres pålideligt i størrelse. Fordelen ved ultralydshomogenisatorer er deres evne til at formale partikler til mindre og mere ensartede partikelstørrelser, uanset om det ønskede procesresultat er mikro- eller nanopartikler. Kavitationsbetingede forskydningskræfter og væskestrømme accelererer partiklerne, så de kolliderer med hinanden. Dette kaldes kollision mellem partikler. Partiklerne fungerer selv som formalingsmedium, hvilket undgår forurening fra formalingsperler og den efterfølgende separationsproces, der er nødvendig ved brug af konventionelle perlemøller. Da partiklerne støder sammen ved kollisioner mellem partikler med meget høje hastigheder på op til 280m/sec, påvirkes partiklerne af ekstraordinært store kræfter og splintres derfor i meget små fragmenter. Friktion og erosion giver disse partikelfragmenter en poleret overflade og en ensartet form. Kombinationen af forskydningskræfter og kollisioner mellem partikler giver ultralydshomogenisering og -dispergering en fordel ved at levere meget homogene kolloide suspensioner og dispersioner!
Billedsekvensen nedenfor viser ultralydens kavitationskræfter på grafitflager.

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

Dispergering og homogenisering af nanomaterialer

For både emulsioner og dispersioner er fremstilling af blandinger i nanostørrelse en udfordrende opgave. De fleste konventionelle homogeniserings- og blandingsteknikker såsom bladblandere, perlemøller, højtrykshomogenisatorer og andre blandere kan frembringe partikler i mikrostørrelse, men de kan ikke pålideligt nedbryde dråber og faste stoffer til nanostørrelse. Dette skyldes hovedsageligt utilstrækkelig intensitet. For eksempel giver bladblandere ikke tilstrækkelig forskydningsvirkning til at nedbryde partikler til nanostørrelse. Perlemøller, en anden type homogenisator, kan ikke ensartet formale faste stoffer til en finere partikelstørrelse end selve perlerne (formalingsmediet). Konventionelle formalingsperler har en gennemsnitlig størrelse mellem 1.500 mm – 35.000 mm. Et andet problem er forurening fra slitage på formalingsmediet. Da ultralydsapparater leverer ekstraordinært kraftige, men præcist styrbare forskydningskræfter, er ultralydskavitation den foretrukne teknik til pålidelig fremstilling af nanodispersioner og nanoemulsioner i laboratorieopstillinger (F&U), pilotanlæg og industrielle anlæg.

Opskalering af ultralydshomogeniseringsprocesser

Ved opskalering fra en ultralydshomogenisator til laboratoriebrug til et ultralydsapparat til pilotdrift og fra et pilotsystem til en ultralydshomogenisator til fuldskalaproduktion kan opskaleringen gennemføres fuldstændig lineært! Alle vigtige procesparametre såsom amplitude, tryk, temperatur og behandlingstid holdes konstante; kun ultralydssondens overfladeareal og ultralydsapparatet som sondens energitilførende drivenhed opskaleres til større, kraftigere enheder. Ultralydshomogeniseringsprocessernes lineære skalerbarhed gør det muligt at opnå de samme resultater af høj kvalitet i storskalaproduktion som i laboratorie- og pilotopstillinger.

Find den bedst egnede ultralydshomogenisator til din proces!

Hielscher Ultrasonics er din partner med mange års erfaring inden for ultralydshomogenisatorer. Alle Hielscher ultralydsapparater konstrueres, fremstilles og testes på vores hovedsæde i Tyskland, før vi sender dem til vores kunder over hele verden. Hielscher ultralydshomogenisatorer er apparater af høj kvalitet, der er kendetegnet ved konstant høj ydeevne, pålidelighed, robusthed og brugervenlighed. Ultralydshomogeniseringsteknologiens tekniske raffinement giver brugerne af Hielscher udstyr konkurrencefordele, som gør dem til markedsledere i deres branche. Med det brede produktsortiment fra laboratorie- og bordhomogenisatorer over pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydshomogenisatorer til kommerciel produktion har Hielscher det ideelle ultralydsblandesystem til dine krav. Det alsidige tilbehør muliggør den ideelle opsætning af ultralydshomogenisatoren – tilpasset individuelle behov.
Fortæl os om dine proceskrav og specifikationer – vi anbefaler dig gerne den bedst egnede og mest effektive ultralydshomogenisator til din anvendelse!

Høj effektivitet ved brug af ultralydshomogenisatorer

Takket være ekstraordinær proceseffektivitet, rimelige investeringsomkostninger, meget høj energieffektivitet og lave arbejds- og vedligeholdelsesomkostninger udkonkurrerer Hielscher ultralydshomogenisatorer konventionelle homogeniseringsteknikker og giver et hurtigt RoI (investeringsafkast). Ofte er en ultralydshomogenisator tjent hjem inden for få måneder.

Ultralyd med høj effekt til industriel homogenisering

Amplituden er den vigtigste procesparameter i ultralydsdrevne homogeniseringsprocesser. Alle Hielscher ultralydsapparater giver mulighed for præcis styring af amplituden. Afhængigt af procesmålet kan en lavere amplitude indstilles for at opnå mildere behandlingsbetingelser, eller en høj amplitude vælges for at opnå mere destruktive dispergeringsresultater. Hielscher industrielle sonikatorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.

Lave vedligeholdelseskrav til ultralydshomogenisatorer

Ultralydshomogenisatorer er desuden nemme at rengøre, da sonotroden og reaktoren er de eneste væskeberørte komponenter og kommer i kontakt med det behandlede materiale. Sonotroden (også kendt som ultralydshorn eller -sonde) og reaktoren er fremstillet 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 på et ultralydsapparat til laboratoriebrug udskiftes på ca. 10 min, mens udskiftning af en sonotrode på en industriel ultralydshomogenisator kan tage ca. 30–45 min.

Kontakt os nu! Vores erfarne team giver dig gerne tekniske oplysninger og procesrelaterede anbefalinger!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: