Homogenisatorer – Arbejdsprincip, anvendelse og opskalering

Homogenisatorer er en type blandere, der anvender mekaniske kræfter til at blande, emulgere, sprede og opløse væske-væske og fast-flydende systemer. Afhængigt af homogenisatormodellens rotationsforskydning bruges dyser eller ultralyd med høj effekt til at skabe de nødvendige kræfter til at opløse og bryde op faste partikler såvel som flydende dråber. 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, i en ensartet blanding. Homogenisatorer fås som laboratorie-, bænk- og industrielt udstyr, der anvendes til forskellige anvendelser inden for forskning og industri. Typisk anvendelse af homogenisator omfatter blanding og opløsning af forskellige materialer, herunder partikler, pigmenter, kemikalier, planter, mad, celler, væv, blandt andre.

Oversigt over forskellige homogenisatortyper

Forskellige homogenisatortyper er kommercielt tilgængelige til brug i bænk-top og industriel storskala produktion. Men rotor / stator (kolloid) blandere, højtrykshomogenisatorer og ultralydshomogenisatorer er de mest anvendte modeller.
Pumpehjuls- eller klingeblandere have 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/stator mixer allerede indebærer, at en rotor / statorblander har en rotor og en statorkomponent. Rotoren er en metalaksel, der roterer ved høje hastigheder i statoren. Statoren er metaldelen, der forbliver stationær. Rotorens rotation skaber en sugeeffekt, der flytter det faste flydende materiale mellem statoren og rotoren, hvor de faste stoffer reduceres til mindre partikelstørrelse.
Arbejdsprincippet for højtrykshomogenisator (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 at tilstoppe.
Ultrasonic Homogenisatorer brug 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 ultralyd homogenisator bruger højintensitets ultralydsvibrationer og kavitation til at skabe meget intense forskydningskræfter og kan derfor kaldes en superintens højforskydningsblander. Hemmeligheden bag de superintense højforskydningskræfter er akustisk kavitation, som genereres af ultralydbølger med høj effekt. En ultralydshomogenisator har en generator, som er strømforsynings- og styreenheden, og en transducer. Transduceren indeholder piezo-elektrisk keramik. Disse piezo-elektriske keramik omdanner den elektriske energi til svingning, da de piezoelektriske krystaller ændrer deres størrelse og form, når spænding påføres. Når frekvensen af den elektroniske oscillator er lig med den naturlige frekvens af den piezoelektriske kvarts, forekommer resonans. Under resonansbetingelser producerer kvarts langsgående ultralydbølger med stor amplitude.
De genererede ultralydbølger kobles derefter via ultralydsonden (sonotrode / horn) ind i procesmediet. Amplituden ved ultralydsonden bestemmer intensiteten af ultralydbølger, som overføres til væsken eller opslæmningen. Ultralydbølgerne genererer vekslende højtryks- og lavtrykscyklusser i flydende medier. Under lavtrykscyklussen producerer ultralydbølger 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 interpartikelkollision og forstyrrer dråber og celler mekanisk, hvilket samtidig fremmer en yderst effektiv masseoverførsel. Disse kavitationskræfter producerer ensartede og homogene dispersioner, emulsioner og suspensioner og er også kendt for at fremme kemiske reaktioner (såkaldt sonochemistry).

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

Ultrasonic Homogenisatorer – Fordele

Ultralyd homogenisatorer er overlegne, når det kommer til produktion af fast-flydende (såkaldte opslæmninger) og væske-flydende suspensioner og opløsninger. Da ultralydapparater bruger arbejdsprincippet for ultralydkavitation, 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 fugtet, er sonikering den mest effektive metode til blanding. Ultralyd homogenisatorer 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 forskelle. Denne kombination af fysiske kræfter forstyrrer partikler til meget mindre størrelser end en konventionel homogenisator. Derfor er ultralyd homogenisatorer det foretrukne udstyr til pålidelig produktion af nano-størrelse emulsioner og dispersioner.

Anvendelser af ultralyd homogenisatorer

Ultralyd homogenisatorer anvendes i vid udstrækning i laboratorie- og industrielle faciliteter til at homogenisere faste-flydende og væske-flydende suspensioner, reducere partikelstørrelse, forstyrre og ekstrahere biologisk materiale, intensivere kemiske reaktioner og opløse opløselige forbindelser.

Ultralyd Emulsificering

Emulgering er processen med at blande to eller flere utilgængelige 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 stof). Dråbestørrelsen af en emulsion spiller en afgørende rolle, når det kommer til funktionaliteten og stabiliteten af en emulsion. Da power-ultralyd skaber sonomekaniske kræfter, som bryder op dråber og reducerer dem til små dråber, sonikering er en meget populær metode til produktion af mikron- og nanoemulsioner. Ultralyd homogenisatorer er et pålideligt værktøj til produktion af O / W og W / O emulsioner, inverse emulsioner, dobbelt emulsioner (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 anvendes til emulgering) f.eks. I den kemiske, fødevare-, farmaceutiske og brændstofindustri til fremstilling af langsigtede stabile emulsioner.
Klik på følgende links for at lære mere om Nanoemulsioner, og Pickering Emulsioner!

Ultralyd Dispersion

Ultralyd homogenisatorer 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 selv fungerer som fræsemedium, hvilket undgår forurening ved slibning af perler og den efterfølgende separationsproces, hvilket er nødvendigt, 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 til små fraktioner. Friktion og erosion giver disse partikelfragmenter en poleret overflade og ensartet formet form. Kombinationen af forskydningskræfter og interpartikelkollision giver ultralydhomogenisering og dispersion den fordelagtige kant, der leverer meget homogene kolloide suspensioner og dispersioner!
Billedsekvensen nedenfor viser ultralydets kavitationskræfter på grafitflager.

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

Spredning og homogenisering af nanomaterialer

For både emulsioner og dispersioner er fremstillingen af nano-størrelse blandinger en udfordrende opgave. De fleste konventionelle homogeniserings- og blandingsteknikker såsom bladblandere, perlemøller, højtrykshomogenisatorer og andre blandere er i stand til at producere partikler i mikronstørrelse, men de kan ikke pålideligt bryde 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 (slibemediet). Konventionelle slibeperler har en gennemsnitlig størrelse på mellem 1.500 mm – 35.000 mm. Et andet problem er forureningen ved slitage af fræsemediet. Da ultralydapparater giver ekstraordinært høje, men alligevel præcist kontrollerbare forskydningskræfter, ultralydkavitation er den foretrukne teknik til pålidelig produktion af nanodispersion og nanoemulsioner i laboratoriet (R&D), pilot- og industrielle opsætninger.

Opskalering af ultralydshomogeniserende processer

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

Find den mest egnede ultralydshomogenisator til din proces!

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

Høj effektivitet med 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 ultralyddrevne homogeniseringsprocesser. Alle Hielscher ultralydapparater tillader præcis kontrol over amplituden. Afhængigt af procesmålet kan en lavere amplitude indstilles til mildere behandlingsbetingelser, eller der vælges en høj amplitude for mere destruktive dispersionsresultater. Hielscher ultralyd’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder, tilpassede ultralydssonotroder er tilgængelige.

Lave vedligeholdelseskrav til ultralydshomogenisatorer

Ultralyd homogenisatorer er ikke kun nemme 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 forstyrrelse af operationen. Sonotroden af et laboratorium ultralydator ændres inden for ca. 10 minutter, mens ændringen af en sonotrode af en industriel ultralyd homogenisator kan tage ca. 30-45 min.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: