Homogenisatoren – Funktionsprinzip, Anwendung und Maßstabsvergrößerung

Homogenisatoren sind Mischgeräte, die mechanische Kräfte einsetzen, um Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Systeme zu mischen, zu emulgieren, zu dispergieren und zu lösen. Je nach Homogenisatormodell werden durch Rotation erzeugte Scherkräfte, Düsen oder Hochleistungsultraschall genutzt, um die erforderlichen Kräfte zum Aufbrechen und Zerkleinern fester Partikel sowie flüssiger Tropfen zu erzeugen. Erfahren Sie mehr über Homogenisatoren und ihre Anwendungen in Forschung und Produktion!

Was ist ein Homogenisator?

Homogenisatoren sind eine Klasse von Mischgeräten, die dazu dienen, feste und flüssige Partikel zu zerkleinern und zu einer gleichmäßigen Mischung zu verarbeiten. Homogenisatoren sind als Labor-, Tisch- und Industriegeräte für verschiedene Anwendungen in Forschung und Industrie erhältlich. Zu den typischen Anwendungen von Homogenisatoren gehören das Mischen und Zerkleinern verschiedener Materialien, darunter Partikel, Pigmente, Chemikalien, Pflanzen, Lebensmittel, Zellen und Gewebe.

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Überblick über verschiedene Homogenisatortypen

Für den Einsatz als Tischgeräte und in der industriellen Großproduktion sind verschiedene Homogenisatortypen auf dem Markt erhältlich. Am weitesten verbreitet sind jedoch Rotor-Stator-Mischer (Kolloidmischer), Hochdruckhomogenisatoren und Ultraschallhomogenisatoren.
Impeller- oder Messermischer verfügen über ein rotierendes Mischwerkzeug, das sich am Boden des Mischbehälters mit hoher Geschwindigkeit dreht und dadurch verschiedene Materialien zu einer homogenen Mischung verbindet.
Wie der Name bereits nahelegt, besteht ein Rotor-Stator-Mischer aus einem Rotor und einem Stator. Der Rotor ist eine Metallwelle, die sich mit hoher Geschwindigkeit innerhalb des Stators dreht. Der Stator ist das feststehende Metallteil. Die Rotation des Rotors erzeugt eine Saugwirkung, die das Fest-Flüssig-Gemisch zwischen Stator und Rotor bewegt, wo die Feststoffe auf eine kleinere Partikelgröße zerkleinert werden.
Das Funktionsprinzip des Hochdruckhomogenisators (HPH) beruht auf dem Einsatz einer Hochdruckpumpe und eines Ventils (Düse, Blende), wodurch die Geräte groß, schwer und teuer sind. Die zu verarbeitende Suspension wird mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch eine kleine Öffnung gepresst. Dadurch wird die Partikelgröße verringert, da die Partikel eine bestimmte geringe Größe aufweisen müssen, um das Ventil passieren zu können. Insbesondere bei der Verarbeitung von Feststoffen neigen Hochdruckhomogenisatoren zu Verstopfungen.
Ultraschallhomogenisatoren nutzen die durch akustische Kavitation erzeugten hohen Scherkräfte, was ihnen verschiedene Vorteile gegenüber anderen Homogenisierungsverfahren verleiht. Das Funktionsprinzip und die Vorteile der Ultraschallhomogenisierung werden im Folgenden vorgestellt.

Hochleistungsultraschall als Kraft zur Homogenisierung

Ein Ultraschallhomogenisator nutzt hochintensive Ultraschallschwingungen und Kavitation, um sehr starke Scherkräfte zu erzeugen, und kann daher als besonders intensiver Hochschermischer bezeichnet werden. Das Geheimnis hinter den außerordentlich hohen Scherkräften ist die akustische Kavitation, die durch Hochleistungsultraschallwellen erzeugt wird. Ein Ultraschallhomogenisator verfügt über einen Generator, der als Stromversorgung und Steuereinheit dient, sowie über einen Schallwandler. Der Schallwandler enthält piezoelektrische Keramiken. Diese piezoelektrischen Keramiken wandeln elektrische Energie in Schwingungen um, da die piezoelektrischen Kristalle bei angelegter Spannung ihre Größe und Form verändern. Wenn die Frequenz des elektronischen Oszillators mit der Eigenfrequenz des piezoelektrischen Quarzes übereinstimmt, tritt Resonanz auf. Unter Resonanzbedingungen erzeugt der Quarz longitudinale Ultraschallwellen mit großer Amplitude.
Die erzeugten Ultraschallwellen werden anschließend über die Sonotrode (Ultraschallhorn) in das Prozessmedium eingekoppelt. Die Amplitude an der Sonotrode bestimmt die Intensität der Ultraschallwellen, die in die Flüssigkeit oder Suspension übertragen werden. Die Ultraschallwellen erzeugen in flüssigen Medien abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während des Niederdruckzyklus erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit. Während des Hochdruckzyklus kollabieren diese kleinen Vakuumblasen unter Freisetzung zerstörerischer Kräfte. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Die Implosion von Kavitationsblasen kann auch Flüssigkeitsstrahlen mit hohen Geschwindigkeiten von bis zu 280 m/s erzeugen, wodurch starke Scherkräfte entstehen. Die Scherkräfte zerkleinern die Partikel, verursachen Kollisionen zwischen Partikeln und brechen Tropfen und Zellen mechanisch auf. Gleichzeitig fördern sie einen hocheffizienten Stofftransport. Diese Kavitationskräfte erzeugen gleichmäßige und homogene Dispersionen, Emulsionen und Suspensionen und fördern bekanntermaßen auch chemische Reaktionen (sogenannte Sonochemie).

Akustische Kavitation (erzeugt durch Hochleistungsultraschall) schafft lokal extreme Bedingungen, sogenannte sonomechanische und sonochemische Effekte. Aufgrund dieser Effekte zerkleinert die Ultraschallbehandlung feste und flüssige Partikel und vermischt sie zu einer homogenen Formulierung.

Vorteile von Ultraschallgeräten als Homogenisatoren

Ultraschallhomogenisatoren sind bei der Herstellung von Fest-Flüssig- (sogenannten Slurries) und Flüssig-Flüssig-Suspensionen und -Lösungen überlegen. Da Ultraschallgeräte nach dem Prinzip der Ultraschallkavitation arbeiten, sollte das Material feucht sein oder sich in einer flüssigen Phase befinden, denn Kavitation tritt nur in Flüssigkeiten auf. Das bedeutet, dass ein Ultraschallgerät beim Mischen eines trockenen Pulvers nicht sehr effizient wäre. Sobald das Pulver jedoch benetzt ist, ist die Ultraschallbehandlung die effizienteste Mischmethode. Ultraschallhomogenisatoren sind dafür bekannt, selbst Pasten und hochviskose Materialien zuverlässig zu mischen, zu vermengen und zu dispergieren. Die außerordentlich starken Kräfte, die durch die Implosion von Kavitationsblasen entstehen, erzeugen nicht nur sehr hohe Scherkräfte, sondern auch lokal begrenzte hohe Temperaturen und Drücke sowie entsprechende Temperatur- und Druckunterschiede. Diese Kombination physikalischer Kräfte zerkleinert Partikel auf wesentlich geringere Größen als ein herkömmlicher Homogenisator. Daher sind Ultraschallhomogenisatoren die bevorzugten Geräte für die zuverlässige Herstellung nanoskaliger Emulsionen und Dispersionen.

Anwendungen von Ultraschallhomogenisatoren

Ultraschallhomogenisatoren werden häufig in Laboren und Industrieanlagen eingesetzt, um Fest-Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Suspensionen zu homogenisieren, die Partikelgröße zu verringern, biologisches Material aufzuschließen und zu extrahieren, chemische Reaktionen zu intensivieren und lösliche Verbindungen zu lösen.

Ultraschallemulgierung

Emulgierung bezeichnet das Mischen von zwei oder mehr nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, um eine stabile oder teilstabile Mischung herzustellen. Im Allgemeinen bestehen diese beiden Flüssigkeiten aus einer Ölphase und einer wässrigen Phase (Wasser). Zur Stabilisierung der Mischung aus den verschiedenen Flüssigphasen wird ein Emulgator (Tensid / Co-Tensid) zugesetzt. Die Tropfengröße einer Emulsion spielt für deren Funktionalität und Stabilität eine entscheidende Rolle. Da Leistungsultraschall sonomechanische Kräfte erzeugt, die Tropfen aufbrechen und zu kleinsten Tröpfchen zerkleinern, ist die Ultraschallbehandlung eine sehr beliebte Methode zur Herstellung von Emulsionen im Mikrometerbereich und Nanoemulsionen. Ultraschallhomogenisatoren sind ein zuverlässiges Werkzeug zur Herstellung von O/W- und W/O-Emulsionen, inversen Emulsionen, Doppelemulsionen (O/W/O, W/O/W), Miniemulsionen sowie Pickering-Emulsionen. Aufgrund dieser Flexibilität und der zuverlässigen Emulgierleistung werden Ultraschallhomogenisatoren (bei der Verwendung zur Emulgierung auch als Ultraschallemulgatoren bezeichnet) z. B. in der Chemie-, Lebensmittel-, Pharma- und Kraftstoffindustrie eingesetzt, um langzeitstabile Emulsionen herzustellen.
Weitere Informationen finden Sie über die folgenden Links zu Nanoemulsionen und Pickering-Emulsionen!

Ultraschalldispergierung

Ultraschallhomogenisatoren sind sehr wirksam, wenn Partikelagglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel zuverlässig zerkleinert werden müssen. Der Vorteil von Ultraschallhomogenisatoren liegt in ihrer Fähigkeit, Partikel auf kleinere und gleichmäßigere Partikelgrößen zu vermahlen, unabhängig davon, ob als Prozessergebnis Mikro- oder Nanopartikel angestrebt werden. Kavitationsbedingte Scherkräfte und Flüssigkeitsströmungen beschleunigen die Partikel, sodass sie miteinander kollidieren. Dies wird als Partikelkollision bezeichnet. Die Partikel selbst wirken als Mahlmedium. Dadurch werden Verunreinigungen durch Mahlperlen und der anschließende Trennprozess vermieden, der beim Einsatz herkömmlicher Perlmühlen erforderlich ist. Da die Partikel bei diesen Kollisionen mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 280m/sec aufeinandertreffen, wirken außerordentlich hohe Kräfte auf sie, sodass sie in kleinste Bruchstücke zerbrechen. Reibung und Erosion verleihen diesen Partikelfragmenten eine polierte Oberfläche und eine gleichmäßige Form. Die Kombination aus Scherkräften und Partikelkollisionen verschafft der Ultraschallhomogenisierung und -dispergierung den entscheidenden Vorteil bei der Herstellung hochhomogener kolloidaler Suspensionen und Dispersionen!
Die folgende Bildsequenz zeigt die Wirkung der Kavitationskräfte des Ultraschalls auf Graphitflocken.

Eine Hochgeschwindigkeits-Bildsequenz (von a bis f) zeigt die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke in Wasser mithilfe des Ultraschallgeräts UP200S mit 200W mit einer 3-mm-Sonotrode. Die Pfeile zeigen die Stelle der Aufspaltung (Exfoliation), wobei Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispergierung und Homogenisierung von Nanomaterialien

Sowohl bei Emulsionen als auch bei Dispersionen ist die Herstellung nanoskaliger Mischungen eine anspruchsvolle Aufgabe. Die meisten herkömmlichen Homogenisierungs- und Mischverfahren, etwa Messermischer, Perlmühlen, Hochdruckhomogenisatoren und andere Mischer, können Partikel im Mikrometerbereich erzeugen, Tropfen und Feststoffe jedoch nicht zuverlässig auf Nanogröße zerkleinern. Dies liegt überwiegend an einer unzureichenden Intensität. Beispielsweise erzeugen Messermischer nicht genügend Scherung, um Partikel auf Nanogröße zu zerkleinern. Perlmühlen, ein weiterer Homogenisatortyp, können Feststoffe nicht gleichmäßig auf eine feinere Partikelgröße als die der Perlen (Mahlkörper) selbst vermahlen. Herkömmliche Mahlperlen haben eine durchschnittliche Größe zwischen 1.500 mm und 35.000 mm. Ein weiteres Problem ist die Verunreinigung durch Verschleiß und Abrieb des Mahlmediums. Da Ultraschallgeräte außerordentlich hohe und dennoch präzise steuerbare Scherkräfte erzeugen, ist die Ultraschallkavitation das bevorzugte Verfahren für die zuverlässige Herstellung von Nanodispersionen und Nanoemulsionen im Labor (Forschung und Entwicklung), in Pilotanlagen und in industriellen Anlagen.

Maßstabsvergrößerung von Ultraschallhomogenisierungsprozessen

Bei der Maßstabsvergrößerung von einem Labor-Ultraschallhomogenisator zu einem Pilot-Ultraschallgerät und von einer Pilotanlage zu einem Ultraschallhomogenisator für die Produktion im industriellen Maßstab kann die Skalierung vollständig linear erfolgen! Alle wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Behandlungszeit bleiben konstant. Lediglich die Oberfläche der Sonotrode und das Ultraschallgerät als energiezuführender Antrieb der Sonotrode werden auf größere, leistungsstärkere Einheiten skaliert. Die lineare Skalierbarkeit von Ultraschallhomogenisierungsprozessen ermöglicht es, in der Großproduktion dieselben hochwertigen Ergebnisse wie im Labor- und Pilotmaßstab zu erzielen.

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Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner für Ultraschallhomogenisatoren. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher werden an unserem Hauptsitz in Deutschland entwickelt, gefertigt und geprüft, bevor wir sie an unsere Kunden weltweit versenden. Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher sind hochwertige Geräte, die sich durch konstant hohe Leistung, Zuverlässigkeit, Robustheit und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Die technisch ausgereifte Ultraschallhomogenisierungstechnologie verschafft den Anwendern von Hielscher-Geräten Wettbewerbsvorteile, die sie zu Marktführern in ihrer Branche machen. Mit einem breiten Produktspektrum von Labor- und Tischhomogenisatoren über Pilotanlagen bis hin zu industriellen Ultraschallhomogenisatoren für die kommerzielle Produktion bietet Hielscher das ideale Ultraschallmischsystem für Ihre Anforderungen. Das vielfältige Zubehör ermöglicht die optimale Konfiguration des Ultraschallhomogenisators – abgestimmt auf individuelle Bedürfnisse.
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Hohe Effizienz durch Ultraschallhomogenisatoren

Dank außergewöhnlicher Prozesseffizienz, angemessener Investitionskosten, sehr hoher Energieeffizienz sowie geringer Personal- und Wartungskosten übertreffen Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher herkömmliche Homogenisierungsverfahren und ermöglichen einen schnellen RoI (Return on Investment). Häufig amortisiert sich ein Ultraschallhomogenisator innerhalb weniger Monate.

Hochleistungsultraschall für die industrielle Homogenisierung

Die Amplitude ist der wichtigste Prozessparameter bei ultraschallgestützten Homogenisierungsprozessen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine präzise Steuerung der Amplitude. Je nach Prozessziel kann eine geringere Amplitude für schonendere Prozessbedingungen eingestellt oder eine hohe Amplitude für eine stärkere Zerkleinerung beim Dispergieren gewählt werden. Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

Geringer Wartungsbedarf bei Ultraschallhomogenisatoren

Ultraschallhomogenisatoren sind zudem leicht zu reinigen, da nur Sonotrode und Reaktor mit dem verarbeiteten Material in Kontakt kommen. Die Sonotrode (auch als Ultraschallhorn oder Ultraschallsonde bezeichnet) besteht aus Titan, der Reaktor aus Edelstahl. Beide weisen klare Geometrien ohne kleine Öffnungen oder tote Ecken auf.
Das einzige Verschleißteil ist die Sonotrode, die ohne wesentliche Betriebsunterbrechung ausgetauscht werden kann. Die Sonotrode eines Labor-Ultraschallgeräts lässt sich innerhalb von etwa 10 min wechseln, während der Austausch einer Sonotrode eines industriellen Ultraschallhomogenisators etwa 30–45 min dauern kann.

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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: