Ομογενοποιητές – Αρχή εργασίας, χρήση και κλιμάκωση

Οι ομογενοποιητές είναι ένας τύπος αναμικτών, οι οποίοι εφαρμόζουν μηχανικές δυνάμεις για να αναμειγνύουν, να γαλακτωματοποιούν, να διασκορπίζουν και να διαλύουν συστήματα υγρού-υγρού και στερεού υγρού. Ανάλογα με την περιστροφική διάτμηση του μοντέλου ομογενοποιητή, τα ακροφύσια ή ο υπέρηχος υψηλής ισχύος χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία των απαιτούμενων δυνάμεων για την αποσύνθεση και τη διάσπαση στερεών σωματιδίων καθώς και υγρών σταγονιδίων. Μάθετε περισσότερα για τις συσκευές ομογενοποίησης και τις εφαρμογές τους στην έρευνα και την παραγωγή!

Τι είναι ο Ομογενοποιητής;

Ένας ομογενοποιητής είναι μια κατηγορία συσκευών ανάμειξης, η οποία έχει σχεδιαστεί για να σπάει σωματίδια, στερεά και υγρά, σε ένα ομοιόμορφο μείγμα. Οι ομογενοποιητές είναι διαθέσιμοι ως εργαστηριακός, πάγκος-κορυφή και βιομηχανικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για διάφορες εφαρμογές στην έρευνα και τη βιομηχανία. Η τυπική εφαρμογή του ομογενοποιητή περιλαμβάνει την ανάμειξη και αποσύνθεση διαφόρων υλικών, συμπεριλαμβανομένων σωματιδίων, χρωστικών ουσιών, χημικών ουσιών, φυτών, τροφίμων, κυττάρων, ιστών, μεταξύ άλλων.

Επισκόπηση των διαφόρων τύπων ομογενοποιητών

Διάφοροι τύποι ομογενοποιητών είναι εμπορικά διαθέσιμοι για τη χρήση στην πάγκο-κορυφή και τη βιομηχανική παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ωστόσο, οι αναμικτήρες στροφέα/ στατήρα (κολλοειδής), οι ομογενοποιητές υψηλής πίεσης και οι υπερηχητικοί ομογενοποιητές είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα.
Μιμητές ή μίξερ λεπίδων έχουν περιστρεφόμενη λεπίδα, η οποία περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα στο κάτω μέρος του δοχείου ανάμειξης συνδυάζοντας έτσι διάφορα υλικά σε ένα ομοιογενές μείγμα.
Ως το όνομα του μίξερ ρότορα/στοχαστή ήδη συνεπάγεται ότι ένας αναμικτήρας στροφέα/στοχαστή έχει στροφείο και συστατικό στοάς. Ο στροφέας είναι ένας μεταλλικός άξονας που περιστρέφεται σε υψηλές ταχύτητες μέσα στο stator. Ο στοχαστής είναι το μεταλλικό μέρος που παραμένει ακίνητο. Η περιστροφή του στροφέα δημιουργεί ένα εφέ αναρρόφησης που μετακινεί το στερεο-υγρό υλικό μεταξύ του στοχαστή και του στροφέα, όπου τα στερεά μειώνονται σε μικρότερο μέγεθος σωματιδίων.
Η αρχή της εργασίας της ομογενοποιητής υψηλής πίεσης (HPH) βασίζεται στη χρήση αντλίας υψηλής πίεσης και βαλβίδας (ακροφύσιο, στόμιο), γεγονός που καθιστά τον εξοπλισμό μεγάλο, βαρύ και ακριβό. Ο επεξεργασμένος πολεοδομίας αναγκάζεται με ταχύτητα υψηλής ροής μέσω ενός μικρού στόμιο, το οποίο μειώνει το μέγεθος των σωματιδίων, καθώς τα σωματίδια απαιτούν ένα συγκεκριμένο μικρό μέγεθος για να περάσουν μέσα από τη βαλβίδα. Ειδικά κατά την επεξεργασία στερεών, οι HPH είναι επιρρεπείς σε απόφραξη.
Υπερήχων Ομογενοποιητές χρησιμοποιήστε τις δυνάμεις υψηλής διάτμησης που παράγονται από την ακουστική σπηλαίωση, η οποία τους δίνει διάφορα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες ομογενοποιητικές τεχνικές. Η αρχή εργασίας και τα οφέλη της υπερηχητικής ομογενοποίησης παρουσιάζονται παρακάτω.

Υπέρηχος υψηλής ισχύος ως ομογενοποιητική δύναμη

Ένας υπερηχητικός ομογενοποιητής χρησιμοποιεί υψηλής έντασης υπερηχητικές δονήσεις και σπηλαίωση για να δημιουργήσει πολύ έντονες δυνάμεις διάτμησης και μπορεί επομένως να ονομαστεί ένα εξαιρετικά έντονο μίξερ υψηλής διάτμησης. Το μυστικό πίσω από τις εξαιρετικά έντονες δυνάμεις υψηλής κουράς είναι η ακουστική σπηλαίωση, η οποία παράγεται από υψηλής ισχύος κύματα υπερήχων. Ένας υπερηχητικός ομογενοποιητής έχει μια γεννήτρια, η οποία είναι η μονάδα παροχής ρεύματος και ελέγχου, και ένας μορφοτροπέας. Ο μορφοτροπέας περιέχει πιεζοηλεκτρικά κεραμικά. Αυτά τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε ταλάντωση, καθώς οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι αλλάζουν το μέγεθος και το σχήμα τους όταν εφαρμόζεται τάση. Όταν η συχνότητα του ηλεκτρονικού ταλαντωτή είναι ίση με τη φυσική συχνότητα του πιεζοηλεκτρικού χαλαζία, εμφανίζεται αντήχηση. Υπό συνθήκες αντήχησης, ο χαλαζίας παράγει διαμήκη υπερηχητικά κύματα μεγάλου πλάτους.
Τα παραγόμενα κύματα υπερήχων στη συνέχεια συνδυάζονται μέσω του υπερήχων καθετήρα (sonotrode / κέρατο) στο μέσο διεργασίας. Το πλάτος στον αισθητήρα υπερήχων καθορίζει την ένταση των κυμάτων υπερήχων, τα οποία μεταδίδονται στο υγρό ή τον πολτό. Τα υπερηχητικά κύματα παράγουν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης σε υγρά μέσα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα παράγουν μικρές φυσαλίδες κενού στο υγρό. Κατά τη διάρκεια του κύκλου υψηλής πίεσης, μικρές φυσαλίδες κενού καταρρέουν καταστροφικά. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Η κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης μπορεί επίσης να δημιουργήσει υγρούς πίδακες με υψηλή ταχύτητα έως 280 m/s, με αποτέλεσμα ισχυρές δυνάμεις κουράς. Οι δυνάμεις διάτμησης σπάνε τα σωματίδια, προκαλούν σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων και διαταράσσουν μηχανικά τα σταγονίδια και τα κύτταρα, προωθώντας ταυτόχρονα μια εξαιρετικά αποτελεσματική μεταφορά μάζας. Αυτές οι σπηλαιώδεις δυνάμεις παράγουν ομοιόμορφες και ομοιογενείς διασπορές, γαλακτώματα και εναιωρήματα και είναι επίσης γνωστό ότι προάγουν χημικές αντιδράσεις (τη λεγόμενη sonochemistry).

Η ακουστική σπηλαίωση (που παράγεται από υπερήχους υψηλής ισχύος) δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες, τα λεγόμενα sonomechanical και sonochemical αποτελέσματα. Λόγω αυτών των επιδράσεων, η κατεργασία με υπερήχους μειώνει τα στερεά και υγρά σωματίδια και τα αναμιγνύει σε ομοιογενή σύνθεση.

Υπερήχων Ομογενοποιητές – Πλεονεκτήματα

Οι υπερηχητικοί ομογενοποιητές είναι ανώτεροι, όταν πρόκειται για την παραγωγή στερεών υγρών (οι λεγόμενοι πολτοί) και υγρών υγρών εναιωρημάτων και διαλυμάτων. Δεδομένου ότι υπερήχων χρησιμοποιούν την αρχή εργασίας της υπερήχων σπηλαίωση, το υλικό θα πρέπει να είναι υγρό ή σε υγρή φάση, δεδομένου ότι σπηλαίωση εμφανίζεται μόνο σε υγρό. Αυτό σημαίνει ότι ένας υπερηχητικός δεν θα ήταν πολύ αποτελεσματικός στην ανάμειξη μιας ξηρής σκόνης, αλλά μόλις η σκόνη υγρανθεί, κατεργασία με υπερήχους είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος ανάμειξης. Υπερήχων ομογενοποιητές είναι γνωστό ότι αναμιγνύουν αξιόπιστα, αναμειγνύουν και διασκορπίζουν ακόμη και πάστες και εξαιρετικά ιξώδη υλικά. Οι εξαιρετικά έντονες δυνάμεις που προκαλούνται από την κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης δημιουργούν όχι μόνο πολύ ισχυρές δυνάμεις υψηλής διάτμησης αλλά και τοπικά περιορισμένες υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις καθώς και αντίστοιχα διαφορικά. Αυτός ο συνδυασμός φυσικών δυνάμεων διαταράσσει τα σωματίδια σε πολύ μικρότερα μεγέθη από έναν συμβατικό ομογενοποιητή. Ως εκ τούτου, υπερήχων ομογενοποιητές είναι ο προτιμώμενος εξοπλισμός για την αξιόπιστη παραγωγή γαλακτωμάτων νανο-μεγέθους και διασπορές.

Εφαρμογές των υπερήχων ομογενοποιητές

Υπερήχων ομογενοποιητές χρησιμοποιούνται ευρέως σε εργαστηριακές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις για την ομογενοποίηση στερεών υγρών και υγρών-υγρών εναιωρημάτων, τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, τη διατάραξη και την εξαγωγή βιολογικού υλικού, την εντατικοποίηση των χημικών αντιδράσεων και τη διάλυση διαλυτών ενώσεων.

Υπερήχων Γαλακτωματοποίηση

Η γαλακτωματοποίηση είναι η διαδικασία ανάμειξης δύο ή περισσότερων ανεπίτρεπτων υγρών μαζί προκειμένου να παρασκευαστεί ένα σταθερό ή ημιδιαμήσιμο μείγμα. Σε γενικές γραμμές, αυτά τα δύο υγρά αποτελούνται από μια φάση πετρελαίου και μια υδατική (υδατική) φάση. Για να σταθεροποιηθεί το μείγμα των διαφόρων υγρών φάσεων, προστίθεται γαλακτωματοποιητής (επιφανειοδραστική / συν-επιφανειοδραστική). Το μέγεθος σταγονιδίων ενός γαλακτώματος παίζει κρίσιμο ρόλο όταν πρόκειται για τη λειτουργικότητα και τη σταθερότητα ενός γαλακτώματος. Δεδομένου ότι ο υπέρηχος ισχύος δημιουργεί sonomechanical δυνάμεις, οι οποίες διαλύουν τα σταγονίδια και τα μειώνουν σε λεπτά σταγονίδια, κατεργασία με υπερήχους είναι μια πολύ δημοφιλής μέθοδος για την παραγωγή μικρονίων και νανο-γαλακτωμάτων. Υπερήχων ομογενοποιητές είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο για την παραγωγή O / W και W / O γαλακτώματα, αντίστροφα γαλακτώματα, διπλά γαλακτώματα (O / W / O, W / O / W), μίνι γαλακτώματα καθώς και pickering γαλακτώματα. Με βάση αυτή την ευελιξία και την αξιόπιστη γαλακτωματοποίηση ικανότητα, υπερήχων ομογενοποιητές (μερικές φορές ονομάζεται επίσης υπερήχων γαλακτωματοποιητές όταν χρησιμοποιούνται για γαλακτωματοποίηση) χρησιμοποιούνται π.χ. στη χημική βιομηχανία, τα τρόφιμα, φαρμακευτικά προϊόντα, και τη βιομηχανία καυσίμων για την παραγωγή μακροπρόθεσμων σταθερών γαλακτωμάτων.
Κάντε κλικ στους παρακάτω συνδέσμους για να μάθετε περισσότερα σχετικά με Νανο-γαλακτώματα, και Pickering Γαλακτώματα!

Υπερήχων διασποράς

Υπερήχων ομογενοποιητές είναι πολύ αποτελεσματική όταν συσσωματώματα σωματιδίων, αδρανή και ακόμη και πρωτογενή σωματίδια πρέπει να μειωθεί αξιόπιστα σε μέγεθος. Το πλεονέκτημα των υπερηχητικών ομογενοποιητών είναι η ικανότητά τους να αλέθουν σωματίδια σε μικρότερα και πιο ομοιόμορφα μεγέθη σωματιδίων, είτε τα μικρον- είτε τα νανο-σωματίδια στοχεύουν ως αποτέλεσμα της διαδικασίας. Οι δυνάμεις σπηλαίωσης και τα υγρά ρεύματα επιταχύνουν τα σωματίδια έτσι ώστε να συγκρούονται μεταξύ τους. Αυτό είναι γνωστό ως σύγκρουση μεταξύ των τμημάτων. Τα ίδια τα σωματίδια δρουν ως μέσο άλεσης, το οποίο αποφεύγει τη μόλυνση αλέθοντας χάντρες και την επακόλουθη διαδικασία διαχωρισμού, η οποία είναι απαραίτητη όταν χρησιμοποιούνται συμβατικοί μύλοι χάντρας. Δεδομένου ότι η σύγκρουση σωματιδίων από τη σύγκρουση διασωματιδίων στις πολύ υψηλές ταχύτητες μέχρι 280m/sec, εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις ισχύουν για τα μόρια, τα οποία επομένως θρυμματίζονται στα λεπτά κλάσματα. Η τριβή και η διάβρωση δίνουν σε αυτά τα θραύσματα σωματιδίων μια γυαλισμένη επιφάνεια και ομοιόμορφα διαμορφωμένη μορφή. Ο συνδυασμός των δυνάμεων διάτμησης και της σύγκρουσης μεταξύ των τμημάτων δίνουν υπερήχων ομογενοποίηση και διασπορά η πλεονετική άκρη που παρέχει εξαιρετικά ομοιογενείς κολλοειδείς εναιωρήματα και διασπορές!
Η παρακάτω ακολουθία εικόνων απεικονίζει τις σπηλαιακές δυνάμεις του υπερήχου σε νιφάδες γραφίτη.

Μια ακολουθία υψηλής ταχύτητας (από α έως στ) πλαισίων που απεικονίζουν sono-μηχανική απολέπιση νιφάδας γραφίτη στο νερό με τη χρήση UP200S, ένας υπερηχητικός 200W με sonotrode 3 mm. Τα βέλη δείχνουν τον τόπο διαχωρισμού (απολέπιση) με φυσαλίδες σπηλαίωσης που διεισδύουν στη διάσπαση.
© Tyurnina κ.ά. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Διασπορά και ομογενοποίηση νανοϋλικών

Τόσο για τα γαλακτώματα όσο και για τις διασπορές, η προετοιμασία μειγμάτων νανο-μεγέθους είναι ένα δύσκολο έργο. Οι περισσότερες συμβατικές τεχνικές ομογενοποίησης και ανάμειξης, όπως μίξερ λεπίδων, μύλοι χάντρας, ομογενοποιητές υψηλής πίεσης και άλλοι αναμικτήρες είναι ικανοί να παράγουν σωματίδια μικρού μεγέθους, αλλά δεν μπορούν να σπάσουν αξιόπιστα σταγονίδια και στερεά σε νανο-μέγεθος. Αυτό οφείλεται κυρίως στην ανεπαρκή ένταση. Για παράδειγμα, οι αναμικτήρες λεπίδων δεν παρέχουν αρκετή κλίση για το σπάσιμο σωματιδίων σε νανο-μέγεθος. Οι μύλοι χάντρας, ένας άλλος τύπος ομογενοποιητή, δεν μπορούν να αλέθουν στερεά ομοιόμορφα σε λεπτότερο μέγεθος σωματιδίων από τις χάντρες (μέσα λείανσης). Οι συμβατικές χάντρες λείανσης έχουν μέσο μέγεθος μεταξύ 1.500 mm – 35.000 χιλιοστά. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η μόλυνση από τη φθορά του μέσου άλεσης. Δεδομένου ότι οι υπερηχητικοί παρέχουν εξαιρετικά υψηλές, αλλά ακριβώς ελεγχόμενες δυνάμεις διάτμησης, η σπηλαίωση υπερήχων είναι η προτιμώμενη τεχνική για την αξιόπιστη παραγωγή νανο-διασποράς και νανο-γαλακτωμάτων στο εργαστήριο (R&Δ), πιλοτικές και βιομηχανικές ρυθμίσεις.

Κλιμάκωση των υπερηχητικών ομογενοποιητικών διεργασιών

Όταν κλιμακώνεται από ένα εργαστήριο υπερήχων ομογενοποιητή σε ένα πιλοτικό υπερήχων, και από ένα πιλοτικό σύστημα σε μια πλήρους κλίμακας παραγωγή υπερήχων ομογενοποιητής, η κλιμάκωση μπορεί να εφαρμοστεί εντελώς γραμμική! Όλες οι σημαντικές παράμετροι διαδικασίας όπως το πλάτος, η πίεση, η θερμοκρασία και ο χρόνος επεξεργασίας διατηρούνται σταθερές, μόνο η επιφάνεια του αισθητήρα υπερήχων και ο υπερηχητικός ως ενεργητικός αναδευτήρας του καθετήρα κλιμακώνονται σε μεγαλύτερες, πιο ισχυρές μονάδες. Η γραμμική επεκτασιμότητα των διαδικασιών ομογενοποίησης υπερήχων επιτρέπει την επίτευξη σε μεγάλη παραγωγή των ίδιων αποτελεσμάτων υψηλής ποιότητας όπως σε εργαστηριακές και πιλοτικές ρυθμίσεις.

Βρείτε τον καταλληλότερο υπερηχητικό ομογενοποιητή για τη διαδικασία σας!

Hielscher Ultrasonics είναι ο μακροχρόνιος έμπειρος συνεργάτης σας για υπερήχων ομογενοποιητές. Όλοι οι υπερήχους Hielscher σχεδιάζονται, κατασκευάζονται και δοκιμάζονται στην έδρα μας στη Γερμανία πριν τους στείλουμε στους πελάτες μας σε όλο τον κόσμο. Hielscher υπερήχων ομογενοποιητές είναι υψηλής ποιότητας συσκευές που χρησιμοποιούνται από σταθερή υψηλή απόδοση, αξιοπιστία, ευρωστία, και φιλικότητα προς το χρήστη. Η τεχνική πολυπλοκότητα της τεχνολογίας υπερήχων ομογενοποίησης δίνει στους χρήστες του εξοπλισμού Hielscher ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα, τα οποία τους καθιστούν στον ηγέτη της αγοράς στον κλάδο τους. Με την ευρεία γκάμα προϊόντων από το εργαστήριο και πάγκο-top ομογενοποιητές, πιλοτικά συστήματα και πλήρης-βιομηχανική υπερήχων ομογενοποιητές για εμπορικές παραγωγές, Hielscher έχει το ιδανικό υπερηχητικό σύστημα ανάμειξης για τις απαιτήσεις σας. Τα πολλαπλά εξαρτήματα επιτρέπουν την ιδανική ρύθμιση υπερήχων ομογενοποιητή – που ταιριάζουν με τις ατομικές ανάγκες.
Πείτε μας τις απαιτήσεις και τις προδιαγραφές της διαδικασίας σας – θα σας προτείνουμε ευχαρίστως τον καταλληλότερο και αποτελεσματικό υπερηχητικό ομογενοποιητή για την εφαρμογή σας!

Υψηλή απόδοση με υπερήχους ομογενοποιητές

Λόγω της εξαιρετικής απόδοσης της διαδικασίας, του εύλογου κόστους επένδυσης, της πολύ υψηλής ενεργειακής απόδοσης και του χαμηλού κόστους εργασίας και συντήρησης, οι υπερηχητικοί ομογενοποιητές Hielscher υπερβάλλουν των συμβατικών τεχνικών ομογενοποίησης και επιτυγχάνουν μια γρήγορη απόδοση επένδυσης (Απόδοση επένδυσης). Συχνά, ένας υπερηχητικός ομογενοποιητής αποσβένεται μέσα σε λίγους μήνες.

Υπερηχογράφημα υψηλής ισχύος για βιομηχανική ομογενοποίηση

Το πλάτος είναι η πιο σημαντική παράμετρος διεργασίας στις διαδικασίες ομογενοποίησης με υπερήχους. Όλοι οι υπερήχους Hielscher επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο του πλάτους. Ανάλογα με το στόχο της διαδικασίας, μπορεί να οριστεί χαμηλότερο πλάτος για ηπιότερες συνθήκες επεξεργασίας ή επιλέγεται υψηλό πλάτος για πιο καταστροφικά αποτελέσματα διασποράς. Hielscher Υπερήχων’ οι βιομηχανικοί υπερηχητικοί επεξεργαστές μπορούν να παραδώσουν τα πολύ υψηλά πλάτη. Τα πλάτη μέχρι 200μm μπορούν να τρέξουν εύκολα συνεχώς στη λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα. Για ακόμα υψηλότερα πλάτη, τα προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes είναι διαθέσιμα.

Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης για υπερήχους ομογενοποιητές

Υπερήχων ομογενοποιητές δεν είναι μόνο εύκολο να καθαριστεί, δεδομένου ότι η sonotrode και ο αντιδραστήρας είναι τα μόνα συστατικά που είναι υγρά μέρη και έρχονται σε επαφή με το επεξεργασμένο υλικό. Sonotrode (επίσης γνωστό ως υπερηχητικό κέρατο ή καθετήρας) και αντιδραστήρας είναι κατασκευασμένα από τιτάνιο και ανοξείδωτο χάλυβα, αντίστοιχα και έχουν καθαρές γεωμετρίες χωρίς στομίες ή νεκρές γωνίες.
Το μόνο μέρος που υπόκειται σε φθορά είναι ο αισθητήρας υπερήχων, ο οποίος μπορεί να αντικατασταθεί χωρίς σημαντική διακοπή της λειτουργίας. Η sonotrode ενός υπερηχητικού εργαστηρίου αλλάζει μέσα σε περίπου 10 λεπτά, ενώ η αλλαγή ενός sonotrode ενός βιομηχανικού υπερήχων ομογενοποιητή μπορεί να διαρκέσει περίπου 30-45 λεπτά.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας: