Homogenisaatorid – tööpõhimõte, kasutus ja mastaabi suurendamine
Homogenisaatorid on teatud tüüpi segistid, mis rakendavad mehaanilisi jõude vedelik-vedelik- ja tahke aine–vedelik-süsteemide segamiseks, emulgeerimiseks, dispergeerimiseks ja lahustamiseks. Sõltuvalt homogenisaatori mudelist kasutatakse vajalike jõudude tekitamiseks tahkete osakeste ja vedelikutilkade desintegreerimiseks ning purustamiseks pöörlevat nihet, düüse või suure võimsusega ultraheli. Lugege lähemalt homogenisaatorite ja nende rakenduste kohta teadus- ja tootmistöös!
Mis on homogenisaator?
Homogenisaator on segamisseadmete klass, mis on mõeldud osakeste – nii tahkete kui ka vedelate – purustamiseks ühtlaseks seguks. Homogenisaatorid on saadaval laboratoorsete, lauaseadmete ja tööstusseadmetena, mida kasutatakse mitmesugusteks rakendusteks teadustöös ja tööstuses. Homogenisaatori tüüpilised rakendused hõlmavad mitmesuguste materjalide, sealhulgas osakeste, pigmentide, kemikaalide, taimede, toidu, rakkude, kudede ja muu segamist ja desintegreerimist.
Võtke meiega ühendust, et rohkem teada saada homogenisaatoritest, ultraheli töötlusest (sonikeerimisest) ja sellest, kuidas saate meie sonikaatoreid oma protsessis kasutada!
MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik läbivoolu-homogenisaator, mille ultraheliseadmete koguvõimsus on 16 000 vatti ning mis sobib nõudlikeks rakendusteks, näiteks nanodispersioonide ja nanoemulsioonide valmistamiseks.
Ülevaade erinevatest homogenisaatoritüüpidest
Laua- ja tööstusliku suuremahulise tootmise jaoks on kaubanduslikult saadaval erinevat tüüpi homogenisaatoreid. Kõige laiemalt kasutatavad mudelid on siiski rootor-stator-segistid (kolloidsegistid), kõrgsurvehomogenisaatorid ja ultraheli homogenisaatorid.
Tiivik- ehk labasegistitel on pöörlev tera, mis pöörleb segamisanuma põhjas suurel kiirusel ja ühendab nii erinevad materjalid homogeenseks seguks.
Nagu rootor-stator-segisti nimigi viitab, koosneb see rootorist ja staatorist. Rootor on metallvõll, mis pöörleb staatori sees suurel kiirusel. Staator on metallosa, mis jääb liikumatuks. Rootori pöörlemine tekitab imemisefekti, mis liigutab tahke aine–vedelik-materjali staatori ja rootori vahel, kus tahked osakesed peenestatakse väiksemaks.
Kõrgsurvehomogenisaatori (HPH) tööpõhimõte põhineb kõrgsurvepumba ja ventiili (düüs, ava) kasutamisel, mistõttu on seade suur, raske ja kallis. Töödeldav suspensioon surutakse suure voolukiirusega läbi väikese ava, mis vähendab osakeste suurust, kuna osakesed peavad ventiilist läbipääsemiseks olema teatud väikest suurust. Eriti tahkete ainete töötlemisel kalduvad HPH-id ummistuma.
Ultraheli homogenisaatorid kasutavad akustilise kavitatsiooni tekitatud suuri nihkejõude, mis annab neile mitmeid eeliseid teiste homogeniseerimismeetodite ees. Ultraheli homogeniseerimise tööpõhimõtet ja eeliseid tutvustatakse allpool.
Suure võimsusega ultraheli kui homogeniseeriv jõud
Ultraheli homogenisaator kasutab suure intensiivsusega ultraheli vibratsiooni ja kavitatsiooni, et tekitada väga intensiivseid nihkejõude, ning seda võib seetõttu nimetada ülimalt intensiivseks suure nihkega segistiks. Ülimalt intensiivsete suure nihke jõudude taga on akustiline kavitatsioon, mida tekitavad suure võimsusega ultrahelilained. Ultraheli homogenisaatoril on generaator, mis on toiteallikas ja juhtseade, ning muundur (transduktor). Muundur sisaldab piesoelektrilisi keraamikaid. Need piesoelektrilised keraamikad muudavad elektrienergia võnkumiseks, kuna piesoelektrilised kristallid muudavad pinge rakendamisel oma suurust ja kuju. Kui elektroonilise ostsillaatori sagedus on võrdne piesoelektrilise kvartsi omasagedusega, tekib resonants. Resonantsitingimustes tekitab kvarts suure amplituudiga pikilaineid ultrahelilaineid.
Tekitatud ultrahelilained juhitakse seejärel ultraheli sondi (sonotrood / horn) kaudu protsessikeskkonda. Ultraheli sondi amplituud määrab vedelikku või suspensiooni (slurry) edastatavate ultrahelilainete intensiivsuse. Ultrahelilained tekitavad vedelates keskkondades vahelduvaid kõrgrõhu- ja madalrõhutsükleid. Madalrõhutsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultrahelilained vedelikus väikesi vaakumimulle. Kõrgrõhutsükli ajal vaakumimullid kollapseeruvad hävitavalt. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Kavitatsioonimullide implosioon võib tekitada ka vedelikujugasid kiirusega kuni 280 m/s, mille tulemuseks on võimsad nihkejõud. Nihkejõud purustavad osakesi, põhjustavad osakestevahelisi kokkupõrkeid ning lõhuvad mehaaniliselt piisku ja rakke, soodustades samal ajal väga tõhusat massiülekannet. Need kavitatsioonijõud tekitavad ühtlasi ja homogeenseid dispersioone, emulsioone ja suspensioone ning on teadaolevalt ka võimelised soodustama keemilisi reaktsioone (nn sonokeemia).
Akustiline kavitatsioon (tekitatud suure võimsusega ultraheli abil) loob lokaalselt äärmuslikud tingimused, nn sonomehaanilised ja sonokeemilised efektid. Nende efektide tõttu vähendab ultraheli töötlus (sonikeerimine) tahkete ja vedelate osakeste suurust ning segab need homogeenseks koostiseks.
Ultraheli kavitatsioon kaskatroodi sondil, mis kuulub ultraheli seadmele UIP1000hdT (1000 vatti, 20 kHz) klaasreaktoris. Kavitatsiooni nähtavuse parandamiseks on kasutatud altpoolt tulevat punast valgust.
Sonikaatorite kasutamise eelised homogenisaatoritena
Ultraheli homogenisaatorid on ülimuslikud tahke-vedel (nn slurry-suspensioonide) ning vedel-vedel suspensioonide ja lahuste valmistamisel. Kuna ultraheli seadmed kasutavad ultraheli kavitatsiooni tööpõhimõtet, peaks materjal olema märg või märjas faasis, sest kavitatsioon esineb ainult vedelikus. See tähendab, et ultraheli seade ei oleks kuiva pulbri segamisel eriti tõhus, kuid niipea kui pulber on niisutatud, on ultraheli töötlus (sonikeerimine) kõige tõhusam segamismeetod. Ultraheli homogenisaatorid segavad, segunevad ja dispergeerivad teadaolevalt usaldusväärselt isegi pastasid ja väga viskoosseid materjale. Kavitatsioonimullide implosioonist tulenevad erakordselt intensiivsed jõud tekitavad mitte ainult väga võimsaid suure nihke jõude, vaid ka lokaalselt piiritletud kõrgeid temperatuure ja rõhke ning vastavaid erinevusi. See füüsikaliste jõudude kombinatsioon lõhub osakesi palju väiksemateks kui tavaline homogenisaator. Seetõttu on ultraheli homogenisaatorid eelistatud seadmed nanosuuruses emulsioonide ja dispersioonide usaldusväärseks tootmiseks.
- suurepärane efektiivsus
- suudab edastada väga fokuseeritud energiat
- suurepärased tulemused mikro- ja nanoskaalas
- mikro- ja nanosuuruses emulsioonide ja dispersioonide jaoks
- mis tahes maht millilitritest tonnideni tunnis
- partii- ja läbivoolutöötlus
- ühekordseks läbimiseks ja retsirkulatsiooniks
- täpne protsessijuhtimine
- lihtne kasutamine
- lihtne puhastamine
- väike hooldusvajadus
Ultraheli homogenisaatorite rakendused
Ultraheli homogenisaatoreid kasutatakse laialdaselt laboratoorsetes ja tööstuslikes rajatistes tahke-vedela ja vedela-vedela suspensioonide homogeniseerimiseks, osakeste suuruse vähendamiseks, bioloogilise materjali lõhkumiseks ja ekstraheerimiseks, keemiliste reaktsioonide intensiivistamiseks ning lahustuvate ühendite lahustamiseks.
Ultraheli emulgeerimine
Emulgeerimine on kahe või enama segunematu vedeliku omavaheline segamine, et valmistada stabiilne või poolstabiilne segu. Üldiselt koosnevad need kaks vedelikku õlifaasist ja vesifaasist (vesi). Erinevate vedelfaaside segu stabiliseerimiseks lisatakse emulgaator (pindaktiivne aine / kaaspindaktiivne aine). Emulsiooni tilkade suurus mängib emulsiooni funktsionaalsuse ja stabiilsuse seisukohast otsustavat rolli. Kuna võimsusultraheli tekitab sonomehaanilisi jõude, mis lõhuvad tilgad ja vähendavad need väga väikesteks tilkadeks, on ultraheli töötlus (sonikeerimine) väga populaarne meetod mikromeetrise ja nanomeetrise suurusega emulsioonide tootmiseks. Ultraheli homogenisaatorid on usaldusväärne töövahend O/W- ja W/O-emulsioonide, pöördemulsioonide, kaksikemulsioonide (O/W/O, W/O/W), miniemulsioonide ning Pickeringi emulsioonide valmistamiseks. Selle paindlikkuse ja usaldusväärse emulgeerimisvõime tõttu kasutatakse ultraheli homogenisaatoreid (mida emulgeerimisel kasutamisel nimetatakse mõnikord ka ultraheli emulgaatoriteks) näiteks keemia-, toiduaine-, farmaatsia- ja kütusetööstuses pikaajaliselt stabiilsete emulsioonide tootmiseks.
Klõpsake järgmistel linkidel, et rohkem teada saada: nanoemulsioonide ja Pickeringi emulsioonide kohta!
Ultraheli dispergeerimine
Ultraheli homogenisaatorid on väga tõhusad, kui osakeste aglomeraate, agregaate ja isegi primaarseid osakesi tuleb usaldusväärselt peenendada. Ultraheli homogenisaatorite eelis on nende võime jahvatada osakesi väiksemateks ja ühtlasemateks osakeste suurusteks, olenemata sellest, kas protsessi tulemusena soovitakse mikromeetrilisi või nanomeetrilisi osakesi. Kavitatsioonilised nihkejõud ja vedelikuvoolud kiirendavad osakesi nii, et need põrkuvad omavahel. Seda nimetatakse osakestevaheliseks kokkupõrkeks. Osakesed ise toimivad jahvatuskeskkonnana, mis väldib jahvatuskuulidest tingitud saastumist ja sellele järgnevat eraldamisprotsessi, mis on vajalik tavapäraste kuulveskite kasutamisel. Kuna osakesed põrkuvad osakestevahelisel kokkupõrkel väga suurel kiirusel, kuni 280m/sec, mõjuvad osakestele erakordselt suured jõud, mille tõttu need purunevad pisikesteks fraktsioonideks. Hõõrdumine ja erosioon annavad nendele osakeste killustikule poleeritud pinna ja ühtlase kuju. Nihkejõudude ja osakestevahelise kokkupõrke kombinatsioon annab ultraheli homogeniseerimisele ja dispergeerimisele eelise, mis võimaldab saada väga homogeenseid kolloidseid suspensioone ja dispersioone!
Alljärgnev pildijada kujutab ultraheli kavitatsioonijõude grafiidihelvestele.
Kiire kaadrijada (a-st f-ini), mis illustreerib grafiidihelbe sonomehaanilist koorimist (eksfoliatsiooni) vees, kasutades UP200S, 200W ultraheli seadet (sonikaatorit) 3-mm sonotroodiga. Nooled näitavad lõhenemiskohta (eksfoliatsiooni), kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Nanomaterjalide dispergeerimine ja homogeniseerimine
Nii emulsioonide kui ka dispersioonide puhul on nanomõõtmeliste segude valmistamine keeruline ülesanne. Enamik tavapäraseid homogeniseerimis- ja segamistehnikaid, näiteks labasegistid, helmesveskid, kõrgrõhuhomogenisaatorid ja muud segistid, suudavad toota mikronimõõtmelisi osakesi, kuid nad ei suuda tilkasid ja tahkeid osakesi usaldusväärselt nanomõõtmeni peenestada. See tuleneb peamiselt ebapiisavast intensiivsusest. Näiteks labasegistid ei anna osakeste nanomõõtmeni purustamiseks piisavalt nihet. Helmesveskid, mis on veel üks homogenisaatori tüüp, ei suuda tahkeid osakesi ühtlaselt jahvatada peenema osakeste suuruseni kui helmed (jahvatuskehad) ise. Tavapäraste jahvatushelmeste keskmine suurus on vahemikus 1 500 mm – 35 000 mm. Teine probleem on jahvatuskeskkonna saastumine kulumise ja rikke tõttu. Kuna ultrahelisonikaatorid tagavad erakordselt suured, kuid täpselt juhitavad nihkejõud, on ultraheli kavitatsioon eelistatud tehnika nanodispersioonide ja nanoemulsioonide usaldusväärseks tootmiseks laboris (T&A), pilootmahus ja tööstuslikes seadmetes.
Ultraheli dispersioonid näitavad ühtlast osakeste suurusjaotust ja homogeenselt peenestatud osakesi. Kõverad kujutavad ränidioksiidi osakeste jaotust enne ultraheli (roheline kõver) ja pärast ultraheli dispergeerimist (punane kõver).
Ultraheli homogeniseerimisprotsesside skaleerimine
Laboratoorselt ultraheli homogenisaatorilt pilootmahu sonikaatorile ja pilootsüsteemilt täismahulisele tootmise ultraheli homogenisaatorile üleminekul saab skaleerimist rakendada täiesti lineaarselt! Kõik olulised protsessiparameetrid, nagu amplituud, rõhk, temperatuur ja töötlusaeg, hoitakse konstantsena ning ainult ultrahelisondi pindala ja sonikaator kui sondi energeetiline ergutaja skaleeritakse suurematele ja võimsamatele seadmetele. Ultraheli homogeniseerimisprotsesside lineaarne skaleeritavus võimaldab saavutada suuremahulises tootmises sama kõrge kvaliteediga tulemusi nagu labori- ja pilootmahus.
Leidke oma protsessile sobivaim ultraheli homogenisaator!
Hielscher Ultrasonics on teie pikaajalise kogemusega partner ultraheli homogenisaatorite valdkonnas. Kõik Hielscheri sonikaatorid projekteeritakse, valmistatakse ja testitakse meie peakontoris Saksamaal, enne kui me need kogu maailmas klientidele tarnime. Hielscheri ultraheli homogenisaatorid on kvaliteetsed seadmed, mida iseloomustavad püsivalt kõrge jõudlus, töökindlus, vastupidavus ja kasutajasõbralikkus. Ultraheli homogeniseerimistehnoloogia tehniline keerukus annab Hielscheri seadmete kasutajatele konkurentsieelised, tänu millele on neist saanud oma tööstusharu turuliidrid. Laia tootevalikuga – labori- ja lauaarvuti-homogenisaatoritest pilootsüsteemide ja täismahuliste tööstuslike ultraheli homogenisaatoriteni kommertstootmiseks – pakub Hielscher ideaalset ultraheli segamissüsteemi teie nõuetele. Mitmekesised tarvikud võimaldavad luua ideaalse ultraheli homogenisaatori seadistuse – vastavalt individuaalsetele vajadustele.
Andke meile teada oma protsessi nõuded ja spetsifikatsioonid – soovitame hea meelega teie rakenduse jaoks kõige sobivamat ja tõhusamat ultraheli homogenisaatorit!
Kõrge tõhusus ultraheli homogenisaatorite kasutamisel
Tänu erakordsele protsessi tõhususele, mõistlikele investeeringukuludele, väga suurele energiatõhususele ning väikestele tööjõu- ja hoolduskuludele ületavad Hielscheri ultraheli homogenisaatorid tavapäraseid homogeniseerimistehnikaid ja tagavad kiire investeeringutasuvuse (RoI, Return on Investment). Sageli tasub ultraheli homogenisaator end ära mõne kuuga.
Suure võimsusega ultraheli tööstuslikuks homogeniseerimiseks
Amplituud on ultraheliga toimuvates homogeniseerimisprotsessides kõige olulisem protsessiparameeter. Kõik Hielscheri sonikaatorid võimaldavad amplituudi täpset reguleerimist. Sõltuvalt protsessi eesmärgist võib seada madalama amplituudi leebemate töötlustingimuste jaoks või valida kõrge amplituudi hävitavamate dispergeerimistulemuste saavutamiseks. Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid suudavad tagada väga kõrgeid amplituude. Kuni 200 µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Ultraheli homogenisaatorite väikesed hooldusnõuded
Ultraheli homogenisaatoreid ei ole mitte ainult lihtne puhastada, kuna sonotrood ja reaktor on ainsad märgade osadega komponendid, mis puutuvad kokku töödeldava materjaliga. Sonotrood (tuntud ka kui ultraheli sarv ehk prooviots) ja reaktor on valmistatud vastavalt titaanist ja roostevabast terasest ning nende geomeetria on puhas, ilma avade või surnud nurkadeta.
Ainus kulumisele ja rikkumisele allutatud osa on ultraheli prooviots, mida saab vahetada ilma töö olulise katkestuseta. Laboratoorse sonikaatori sonotroodi vahetus võtab aega umbes 10 min, tööstusliku ultraheli homogenisaatori sonotroodi vahetus aga võib võtta umbes 30–45 min.
Võtke meiega kohe ühendust! Meie suure kogemusega meeskond annab hea meelega tehnilist teavet ja protsessiga seotud soovitusi!
Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 kuni 60L | 0,6 kuni 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboratoorses, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Korduma kippuvad küsimused homogenisaatorite kohta
- Mis on homogenisaatori tööpõhimõte? Homogenisaator rakendab vedelikele, suspensioonidele ja läbudele nihkejõudu. Nihe vähendab tahke-vedela ja vedela-vedela segude osakeste suurust ning annab ühtlase osakeste suurusjaotuse. Homogenisaatorid suudavad toota stabiilseid emulsioone või dispersioone.
- Mis on homogeniseerimisprotsessi põhimõte? Homogeniseerimise põhiprintsiip seisneb mehaanilise jõu, näiteks ultraheli vibratsiooni ja kavitatsiooni rakendamises heterogeensele segule, et lõhkuda osakesed ühtlaselt peeneks, saavutades püsiva ja stabiilse segu, mis ei lahutu aja jooksul.
- Mis on homogeniseerimise peamine eesmärk? Homogeniseerimise peamine eesmärk on parandada toote stabiilsust ja ühtlast koostist osakeste suuruse vähendamise teel. See protsess parandab segu füüsikalisi omadusi, näiteks viskoossust, tekstuuri ja säilivusaega, muutes selle oluliseks toidutöötlemises, farmaatsias ja kosmeetikas.
Loe lähemalt ultraheli toidu homogenisaatorite kohta! - Mis on ultraheli homogeniseerimine? Ultraheli homogeniseerimine kasutab kõrgsageduslikke helilaineid kavitatsiooni esilekutsumiseks vedelas keskkonnas, mille tulemusena tekivad intensiivsed nihkejõud, mis lõhuvad osakesi mikroskoopilisel tasandil. See meetod on eriti tõhus rakkude lõhkumiseks, nanoosakeste dispergeerimiseks ja emulgeerimiseks.
- Mis on sonikeerimine homogeniseerimiseks? Sonikeerimine homogeniseerimiseks tähendab ultraheli energia rakendamist proovidele, et saavutada peen ja ühtlane segunemine. See protsess on tõhus vedelikus olevate osakeste dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja suuruse vähendamiseks ning seda kasutatakse laialdaselt nii teadus- kui ka tööstuskeskkonnas.
- Millised on sonikeerimismeetodite 2 tüüpi? Sonikeerimismeetodeid on kaks põhitüüpi: otsene ja kaudne sonikeerimine. Otsese sonikeerimise puhul sukeldatakse sond otse proovi, kaudse sonikeerimise puhul toimub töötlus vannis, kus proovid asetatakse anumasse, mis on sukeldatud sonikeerimiseks sobivasse vedelikku. Otsene sonikeerimine on tavaliselt intensiivsem ja homogeniseerimiseks tõhusam kui kaudne sonikeerimine.
Kirjandus / viited
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.