Homogenisaatorid – Tööpõhimõte, kasutamine ja laiendamine
Homogenisaatorid on teatud tüüpi segistid, mis rakendavad mehaanilisi jõude vedeliku-vedeliku ja tahke vedeliku süsteemide segamiseks, emulgeerimiseks, hajutamiseks ja lahustamiseks. Sõltuvalt homogenisaatori mudelist kasutatakse pöörlemisnihet, düüse või suure võimsusega ultraheli, et luua vajalikud jõud tahkete osakeste, samuti vedelate tilkade lagunemiseks ja lagundamiseks. Lisateave homogenisaatorite seadmete ja nende rakenduste kohta teadusuuringutes ja tootmises!
Mis on homogenisaator?
Homogenisaator on segamisseadmete klass, mis on mõeldud nii tahkete kui ka vedelate osakeste purustamiseks ühtlaseks seguks. Homogenisaatorid on saadaval labori-, pink-top ja tööstusseadmetena, mida kasutatakse mitmesugusteks rakendusteks teadusuuringutes ja tööstuses. Homogenisaatori tüüpiline kasutamine hõlmab erinevate materjalide, sealhulgas osakeste, pigmentide, kemikaalide, taimede, toidu, rakkude, kudede segamist ja lagunemist.
Palun võtke meiega ühendust, et saada lisateavet homogenisaatorite, ultrahelitöötluse ja selle kohta, kuidas saate meie sonikaatoreid oma protsessis kasutada!
MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik inline homogenisaator, millel on 16 000 vatti võimsust ultrasonikaatorid nõudlike rakenduste jaoks, nagu nano-dispersioonid ja nanoemulsioonid.
Ülevaade erinevatest homogenisaatoritüüpidest
Erinevad homogenisaatoritüübid on kaubanduslikult saadaval kasutamiseks pink-top ja tööstuslikus suuremahulises tootmises. Kuid rootori / staatori (kolloid) segistid, kõrgsurve homogenisaatorid ja ultraheli homogenisaatorid on kõige laialdasemalt kasutatavad mudelid.
Tiiviku- või terasegistitel on ketrustera, mis pöörleb suurel kiirusel segamisanuma põhjas, ühendades seeläbi erinevad materjalid homogeenseks seguks.
Nagu rootori/staatori segisti nimi juba viitab, on rootori/staatori segistil rootor ja staatorikomponent. Rootor on metallvõll, mis pöörleb staatoris suurel kiirusel. Staator on metallosa, mis jääb paigale. Rootori pöörlemine tekitab imemisefekti, mis liigutab tahke vedeliku materjali staatori ja rootori vahel, kus tahked ained redutseeritakse väiksemaks osakeste suuruseks.
Kõrgsurve homogenisaatori (HPH) tööpõhimõte põhineb kõrgsurvepumba ja ventiili (otsik, ava) kasutamisel, mis muudab seadme suureks, raskeks ja kalliks. Töödeldud läga surutakse suure voolukiirusega läbi väikese ava, mis vähendab osakeste suurust, kuna osakesed vajavad ventiili läbimiseks teatud väikest suurust. Eriti tahkete ainete töötlemisel on HPH-d kalduvad ummistuma.
Ultraheli homogenisaatorid kasutavad akustilise kavitatsiooni tekitatud kõrge nihkejõuga, mis annab neile erinevaid eeliseid teiste homogeniseerimistehnikate ees. Ultraheli homogeniseerimise tööpõhimõte ja eelised on esitatud allpool.
Suure võimsusega ultraheli kui homogeniseeriv jõud
Ultraheli homogenisaator kasutab suure intensiivsusega ultraheli vibratsioone ja kavitatsiooni, et luua väga intensiivseid nihkejõude ja seetõttu võib seda nimetada üliintensiivseks suure nihkega segistiks. Super-intensiivsete suure nihkega jõudude saladus on akustiline kavitatsioon, mida tekitavad suure võimsusega ultraheli lained. Ultraheli homogenisaatoril on generaator, mis on toiteallikas ja juhtplokk ning andur. Andur sisaldab piesoelektrilist keraamikat. Need piesoelektrilised keraamikad muudavad elektrienergia võnkumiseks, kuna piesoelektrilised kristallid muudavad pinge rakendamisel oma suurust ja kuju. Kui elektroonilise ostsillaatori sagedus on võrdne piesoelektrilise kvartsi loomuliku sagedusega, tekib resonants. Resonantsi tingimustes toodab kvarts suure amplituudiga pikisuunalisi ultraheli laineid.
Seejärel ühendatakse genereeritud ultraheli lained ultraheli sondi (sonotrode / horn) kaudu protsessikeskkonda. Ultraheli sondi amplituud määrab ultraheli lainete intensiivsuse, mis edastatakse vedelikku või läga. Ultraheli lained tekitavad vedelas keskkonnas vahelduvaid kõrgsurve ja madala rõhu tsükleid. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid. Kõrgsurvetsükli ajal varisevad väikesed vaakummullid hävitavalt. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Kavitatsioonimullide implosioon võib tekitada ka vedelikujoad suure kiirusega kuni 280 m/s, mille tulemuseks on võimsad nihkejõud. Nihkejõud purustavad osakesi, põhjustavad osakestevahelist kokkupõrget ning häirivad piiskasid ja rakke mehaaniliselt, soodustades samal ajal ülitõhusat massiülekannet. Need kavitatsioonijõud tekitavad ühtlaseid ja homogeenseid dispersioone, emulsioone ja suspensioone ning soodustavad teadaolevalt ka keemilisi reaktsioone (nn sonokeemia).
Akustiline kavitatsioon (mida tekitab suure võimsusega ultraheli) loob lokaalselt äärmuslikud tingimused, nn sonomehaanilised ja sonokeemilised efektid. Nende mõjude tõttu vähendab ultrahelitöötlus tahkeid ja vedelaid osakesi ning segab need homogeenseks preparaadiks.
Ultraheli kavitatsioon cascatrode sondi juures ultrasonikaator UIP1000hdT (1000 vatti, 20kHz) klaasreaktoris. Kavitatsiooni nähtavuse parandamiseks kasutatakse punast valgust alt.
Ultraheli homogenisaatorid – Eelised
Ultraheli homogenisaatorid on paremad, kui tegemist on tahke vedeliku (nn läga) ja vedeliku-vedeliku suspensioonide ja lahuste tootmisega. Kuna ultrasonikaatorid kasutavad ultraheli kavitatsiooni tööpõhimõtet, peaks materjal olema märg või niiskes faasis, kuna kavitatsioon toimub ainult vedelikus. See tähendab, et ultrasonikaator ei oleks kuiva pulbri segamisel väga tõhus, kuid niipea, kui pulber niisutatakse, on ultrahelitöötlus kõige tõhusam meetod segamiseks. Ultraheli homogenisaatorid on hästi teada, et nad segavad, segavad ja hajutavad usaldusväärselt isegi pastasid ja väga viskoosseid materjale. Kavitatsioonimullide implosioonist põhjustatud erakordselt intensiivsed jõud tekitavad mitte ainult väga võimsaid suure nihkega jõude, vaid ka lokaalselt piiratud kõrgeid temperatuure ja rõhkusid ning vastavaid erinevusi. Need füüsiliste jõudude kombinatsioonid häirivad osakesi palju väiksemate suurustega kui tavaline homogenisaator. Seetõttu on ultraheli homogenisaatorid eelistatud seadmed nano suurusega emulsioonide ja dispersioonide usaldusväärseks tootmiseks.
- suurepärane tõhusus
- suudab pakkuda väga keskendunud energiat
- Suurepärased tulemused mikronites ja nanos
- mikroni- ja nanosuuruses emulsioonide ja dispersioonide jaoks
- mis tahes maht alates ml kuni tonni / h
- partii ja tekstisisene
- ühekordseks läbimiseks ja ringluseks
- protsessi täpne juhtimine
- lihtne töö
- lihtne puhastamine
- madal hooldus
Ultraheli homogenisaatorite rakendused
Ultraheli homogenisaatoreid kasutatakse laialdaselt labori- ja tööstusrajatistes, et homogeniseerida tahke vedeliku ja vedeliku-vedeliku suspensioone, vähendada osakeste suurust, häirida ja ekstraheerida bioloogilist materjali, intensiivistada keemilisi reaktsioone ja lahustada lahustuvaid ühendeid.
Ultraheli emulgeerimine
Emulgeerimine on protsess, mille käigus segatakse kaks või enam segunematut vedelikku kokku, et valmistada stabiilne või poolstabiilne segu. Üldiselt koosnevad need kaks vedelikku õlifaasist ja vesifaasist. Erinevate vedelate faaside segu stabiliseerimiseks lisatakse emulgaator (pindaktiivne aine / ko-pindaktiivne aine). Emulsiooni tilkade suurus mängib olulist rolli emulsiooni funktsionaalsuse ja stabiilsuse osas. Kuna võimsus-ultraheli loob sonomehaanilisi jõude, mis lagundavad tilgad ja vähendavad neid minutilisteks tilkadeks, on ultrahelitöötlus väga populaarne meetod mikroni- ja nanoemulsioonide tootmiseks. Ultraheli homogenisaatorid on usaldusväärne vahend O / W ja W / O emulsioonide, pöördemulsioonide, topeltemulsioonide (O / W / O, W / O / W), miniemulsioonide ja Pickering emulsioonide tootmiseks. Selle paindlikkuse ja usaldusväärse emulgeerimisvõime põhjal kasutatakse ultraheli homogenisaatoreid (mõnikord nimetatakse neid ka ultraheli emulgaatoriteks, kui neid kasutatakse emulgeerimiseks), nt keemia-, toidu-, farmaatsia- ja kütusetööstuses pikaajaliste stabiilsete emulsioonide tootmiseks.
Lisateabe saamiseks klõpsake järgmistel linkidel nanoemulsioonid ja Pickering emulsioonid!
Ultraheli dispersioon
Ultraheli homogenisaatorid on väga tõhusad, kui osakeste aglomeraadid, agregaadid ja isegi primaarsed osakesed peavad olema usaldusväärselt vähendatud. Ultraheli homogenisaatorite eeliseks on nende võime jahvatada osakesi väiksemateks ja ühtlasemateks osakeste suurusteks, olenemata sellest, kas protsessi tulemusena on suunatud mikroni- või nanoosakesed. Kavitatsioonilised nihkejõud ja vedelikuvood kiirendavad osakesi nii, et need põrkuvad üksteisega. Seda nimetatakse osakestevaheliseks kokkupõrkeks. Osakesed ise toimivad freesimiskeskkonnana, mis väldib saastumist helmeste lihvimise ja sellele järgneva eraldusprotsessiga, mis on vajalik tavaliste helmesveskite kasutamisel. Kuna osakesed põrkuvad osakestevahelise kokkupõrke teel väga suurel kiirusel kuni 280 m/sek, rakenduvad osakestele erakordselt suured jõud, mis seetõttu purunevad minutilisteks fraktsioonideks. Hõõrdumine ja erosioon annavad neile osakeste fragmentidele poleeritud pinna ja ühtlase kujuga vormi. Nihkejõudude ja osakestevahelise kokkupõrke kombinatsioon annab ultraheli homogeniseerimisele ja dispersioonile soodsa serva, pakkudes väga homogeenseid kolloidseid suspensioone ja dispersioone!
Allolev pildijada kujutab ultraheli kavitatsioonijõude grafiidihelvestel.
Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelveste sonomehaanilist koorimist vees, kasutades UP200S, 200W ultrasonikaator 3 mm sonotrode'iga. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta kavitatsioonimullidega, mis tungivad lõhenemisse.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Nanomaterjalide dispersioon ja homogeniseerimine
Nii emulsioonide kui ka dispersioonide puhul on nanosuuruses segude valmistamine keeruline ülesanne. Enamik tavapäraseid homogeniseerimis- ja segamistehnikaid, nagu terasegistid, helmesveskid, kõrgsurve homogenisaatorid ja muud segistid, on võimelised tootma mikronisuurusi osakesi, kuid nad ei suuda usaldusväärselt purustada tilkasid ja tahkeid aineid nanosuuruseks. See on enamasti tingitud ebapiisavast intensiivsusest. Näiteks ei paku terasegistid piisavalt nihkeid osakeste nanosuuruseks purustamiseks. Helmesveskid, teist tüüpi homogenisaator, ei suuda tahkeid aineid ühtlaselt peenema osakeste suurusega jahvatada kui helmed (jahvatuskeskkond) ise. Tavaliste lihvimishelmeste keskmine suurus on vahemikus 1,500 mm – 35 000 mm. Teine probleem on freessöötme kulumisega saastumine. Kuna ultrasonikaatorid pakuvad erakordselt kõrgeid, kuid täpselt kontrollitavaid nihkejõude, on ultraheli kavitatsioon eelistatud meetod nano-dispersiooni ja nanoemulsioonide usaldusväärseks tootmiseks laboris (R&D), piloot ja tööstuslikud seadistused.
Ultraheli dispersioonid näitavad ühtlast osakeste suuruse jaotust homogeenselt redutseeritud osakestega. Kõverad näitavad ränidioksiidi osakeste jaotust enne ultraheli (roheline kõver) ja pärast ultraheli dispersiooni (punane kõver).
Ultraheli homogeniseerimisprotsesside laiendamine
Kui suurendate laboratoorsest ultraheli homogenisaatorist piloot-ultrasonikaatorile ja pilootsüsteemist täiemahulisele tootmisele ultraheli homogenisaatorile, saab skaalat rakendada täiesti lineaarselt! Kõik olulised protsessiparameetrid, nagu amplituud, rõhk, temperatuur ja töötlemisaeg, hoitakse konstantsena, ainult ultraheli sondi pindala ja ultrasonikaator kui sondi energeetiline segisti on skaleeritud suuremateks, võimsamateks ühikuteks. Ultraheli homogeniseerimisprotsesside lineaarne mastaapsus võimaldab saada suures tootmises samu kvaliteetseid tulemusi nagu labori- ja pilootseadetes.
Leidke oma protsessi jaoks kõige sobivam ultraheli homogenisaator!
Hielscher Ultrasonics on teie pikaajaline kogenud partner ultraheli homogenisaatoritele. Kõik Hielscheri ultrasonikaatorid on projekteeritud, toodetud ja testitud meie peakontoris Saksamaal, enne kui saadame need oma klientidele kogu maailmas. Hielscheri ultraheli homogenisaatorid on kvaliteetsed seadmed, mida iseloomustab pidev kõrge jõudlus, töökindlus, töökindlus ja kasutajasõbralikkus. Ultraheli homogeniseerimistehnoloogia tehniline keerukus annab Hielscheri seadmete kasutajatele konkurentsieelised, mis muudavad need oma tööstuse turuliidriks. Laia tootevalikuga labori- ja pink-top homogenisaatoritest, pilootsüsteemidest ja täistööstuslikest ultraheli homogenisaatoritest kaubanduslike toodete jaoks on Hielscheril teie vajadustele ideaalne ultraheli segamissüsteem. Kollektori tarvikud võimaldavad ideaalset ultraheli homogenisaatori seadistamist – individuaalsete vajaduste rahuldamine.
Rääkige meile oma protsessinõuetest ja spetsifikatsioonidest – Soovitame teile hea meelega teie rakenduse jaoks kõige sobivamat ja tõhusamat ultraheli homogenisaatorit!
Kõrge efektiivsusega ultraheli homogenisaatorite kasutamine
Tänu erakordsele protsessi tõhususele, mõistlikele investeerimiskuludele, väga kõrgele energiatõhususele ning madalatele tööjõu- ja hoolduskuludele ületavad Hielscheri ultraheli homogenisaatorid tavapäraseid homogeniseerimismeetodeid ja saavutavad kiire investeeringutasuvuse (RoI). Sageli amortiseeritakse ultraheli homogenisaator mõne kuu jooksul.
Suure võimsusega ultraheli tööstuslikuks homogeniseerimiseks
Amplituud on ultraheliga juhitavate homogeniseerimisprotsesside kõige olulisem protsessiparameeter. Kõik Hielscheri ultrasonikaatorid võimaldavad amplituudi täpset kontrolli. Sõltuvalt protsessi sihtmärgist saab kergemate töötlemistingimuste jaoks seada madalama amplituudi või valida hävitavamate dispersioonitulemuste jaoks kõrge amplituudi. Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Madalad hooldusnõuded ultraheli homogenisaatoritele
Ultraheli homogenisaatoreid ei ole mitte ainult lihtne puhastada, sest sonotrode ja reaktor on ainsad komponendid, mis on märjad osad ja puutuvad kokku töödeldud materjaliga. Sonotrode (tuntud ka kui ultraheli sarv või sond) ja reaktor on valmistatud vastavalt titaanist ja roostevabast terasest ning neil on puhtad geomeetriad ilma avade või surnud nurkadeta.
Ainus osa, mis on kulunud, on ultraheli sond, mida saab asendada ilma operatsiooni oluliste häireteta. Labori ultrasonikaatori sonotrode muudetakse umbes 10 minuti jooksul, samas kui tööstusliku ultraheli homogenisaatori sonotrode muutmine võib võtta umbes 30-45 minutit.
Võtke meiega kohe ühendust! Meie kogenud meeskond annab hea meelega tehnilist teavet ja protsessiga seotud soovitusi!
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / 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 |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Korduma kippuvad küsimused homogenisaatorite kohta
- Milline on homogenisaatori tööpõhimõte? Homogenisaator rakendab nihkejõudu vedelikele, suspensioonidele ja lägadele. Nihe vähendab tahke-vedelate ja vedelate-vedelate segude osakeste suurust ning tekitab ühtlase osakeste suuruse jaotuse. Homogenisaatorid võivad toota stabiilseid emulsioone või dispersioone.
- Milline on homogeniseerimisprotsessi põhimõte? Homogeniseerimise põhiprintsiip hõlmab mehaanilise jõu rakendamist, näiteks ultraheli vibratsiooni ja kavitatsiooni heterogeensele segule, et lagundada osakesed ühtlaselt peeneks, saavutades järjepideva ja stabiilse segu, mis takistab aja jooksul eraldumist.
- Mis on homogeniseerimise peamine eesmärk? Homogeniseerimise peamine eesmärk on parandada toote stabiilsust ja konsistentsi, vähendades osakeste suurust. See protsess suurendab segu füüsikalisi omadusi, nagu viskoossus, tekstuur ja säilivusaeg, muutes selle toiduainete töötlemisel, farmaatsiatoodetes ja kosmeetikas ülioluliseks.
Loe lähemalt ultraheli toidu homogenisaatorite kohta! - Mis on ultraheli homogeniseerimine? Ultraheli homogeniseerimine kasutab kõrgsageduslikke helilaineid, et indutseerida kavitatsiooni vedelas keskkonnas, mille tulemuseks on intensiivsed nihkejõud, mis lagundavad osakesi mikroskoopilisel tasemel. See meetod on eriti efektiivne rakkude katkestamiseks, nanoosakeste dispersiooniks ja emulgeerimiseks.
- Mis on ultrahelitöötlus homogeniseerimiseks? Ultrahelitöötlus homogeniseerimiseks hõlmab ultraheli energia rakendamist proovidele, et saavutada peen ja ühtlane segamine. See protsess on efektiivne osakeste hajutamiseks, emulgeerimiseks ja vähendamiseks vedelikus, mida kasutatakse laialdaselt nii teadusuuringute kui ka tööstuse kontekstis.
- Millised on 2 tüüpi ultrahelitöötlusmeetodid? Kaks peamist ultrahelitöötluse meetodite tüüpi on otsene ja kaudne ultrahelitöötlus. Otsene ultrahelitöötlus hõlmab sondi sukeldamist otse proovi, samas kui kaudne ultrahelitöötlus toimub vannis, kus proovid asetatakse mahutisse, mis on sukeldatud ultrahelitöötluse sõbralikku vedelikku. Otsene ultrahelitöötlus on tavaliselt intensiivsem ja efektiivsem homogeniseerimiseks kui kaudne ultrahelitöötlus.
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.