هموژنایزرها – اصل کار، کاربرد و افزایش مقیاس

هموژنایزرها نوعی مخلوط‌کن هستند که با اعمال نیروهای مکانیکی، سامانه‌های مایع–مایع و جامد–مایع را مخلوط، امولسیون، پراکنده و حل می‌کنند. بسته به مدل هموژنایزر، از برش دورانی، نازل‌ها یا فراصوت پرتوان برای ایجاد نیروهای لازم جهت متلاشی‌کردن و خردکردن ذرات جامد و قطرات مایع استفاده می‌شود. درباره دستگاه‌های هموژنایزر و کاربردهای آن‌ها در پژوهش و تولید بیشتر بدانید!

هموژنایزر چیست؟

هموژنایزر دسته‌ای از دستگاه‌های اختلاط است که برای خردکردن ذرات جامد و مایع و ایجاد مخلوطی یکنواخت طراحی شده است. هموژنایزرها به‌صورت تجهیزات آزمایشگاهی، رومیزی و صنعتی عرضه می‌شوند و در کاربردهای گوناگون پژوهشی و صنعتی به کار می‌روند. کاربردهای متداول هموژنایزر شامل اختلاط و متلاشی‌کردن مواد مختلف، از جمله ذرات، رنگ‌دانه‌ها، مواد شیمیایی، گیاهان، مواد غذایی، سلول‌ها و بافت‌ها است.

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره هموژنایزرها، فراصوت‌دهی و نحوه استفاده از سونیکاتورهای ما در فرایند خود، با ما تماس بگیرید!

مروری بر انواع مختلف هموژنایزر

انواع مختلف هموژنایزر برای استفاده در مقیاس رومیزی و تولید صنعتی در مقیاس بزرگ در بازار عرضه می‌شوند. بااین‌حال، مخلوط‌کن‌های روتور/استاتور (کلوئیدی)، هموژنایزرهای فشار بالا و هموژنایزرهای فراصوتی پرکاربردترین مدل‌ها هستند.
مخلوط‌کن‌های پروانه‌ای یا تیغه‌ای دارای تیغه‌ای چرخان هستند که با سرعت زیاد در کف مخزن اختلاط می‌چرخد و به این ترتیب مواد مختلف را به مخلوطی همگن تبدیل می‌کند.
همان‌طور که از نام مخلوط‌کن روتور/استاتور پیداست، این مخلوط‌کن دارای یک جزء روتور و یک جزء استاتور است. روتور محوری فلزی است که با سرعت زیاد درون استاتور می‌چرخد. استاتور بخش فلزی ثابتی است که حرکت نمی‌کند. چرخش روتور اثر مکشی ایجاد می‌کند که مواد جامد–مایع را به فضای بین استاتور و روتور می‌کشد؛ در این فضا اندازه ذرات جامد کاهش می‌یابد.
اصل کار هموژنایزر فشار بالا (HPH) بر استفاده از یک پمپ فشار بالا و یک شیر (نازل، روزنه) استوار است که باعث می‌شود دستگاه بزرگ، سنگین و گران باشد. دوغاب تحت پردازش با سرعت جریان زیاد از یک روزنه کوچک عبور داده می‌شود و این امر اندازه ذرات را کاهش می‌دهد، زیرا ذرات برای عبور از شیر باید اندازه کوچک مشخصی داشته باشند. HPHها به‌ویژه هنگام پردازش مواد جامد مستعد گرفتگی هستند.
هموژنایزرهای فراصوتی از نیروهای برشی شدید ناشی از کاویتاسیون آکوستیکی استفاده می‌کنند که مزایای متعددی نسبت به سایر روش‌های همگن‌سازی به آن‌ها می‌دهد. اصل کار و مزایای همگن‌سازی فراصوتی در ادامه ارائه شده است.

فراصوت پرتوان به‌عنوان نیروی همگن‌سازی

هموژنایزر فراصوتی از ارتعاشات فراصوتی با شدت بالا و کاویتاسیون برای ایجاد نیروهای برشی بسیار شدید استفاده می‌کند و بنابراین می‌توان آن را مخلوط‌کنی با برش فوق‌العاده شدید نامید. عامل ایجاد این نیروهای برشی فوق‌العاده شدید، کاویتاسیون آکوستیکی است که امواج فراصوت پرتوان آن را ایجاد می‌کنند. هموژنایزر فراصوتی دارای یک ژنراتور، به‌عنوان منبع تغذیه و واحد کنترل، و یک مبدل است. مبدل حاوی سرامیک‌های پیزوالکتریک است. این سرامیک‌های پیزوالکتریک انرژی الکتریکی را به نوسان تبدیل می‌کنند، زیرا بلورهای پیزوالکتریک هنگام اعمال ولتاژ، اندازه و شکل خود را تغییر می‌دهند. هنگامی که فرکانس نوسان‌ساز الکترونیکی با فرکانس طبیعی کوارتز پیزوالکتریک برابر شود، تشدید رخ می‌دهد. در شرایط تشدید، کوارتز امواج فراصوتی طولی با دامنه بزرگ تولید می‌کند.
سپس امواج فراصوت تولیدشده از طریق پروب فراصوتی (سونوتْرود / هورن) به محیط فرایند کوپل و منتقل می‌شوند. دامنه در پروب فراصوتی، شدت امواج فراصوت منتقل‌شده به مایع یا دوغاب را تعیین می‌کند. امواج فراصوت در محیط‌های مایع چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار ایجاد می‌کنند. طی چرخه کم‌فشار، امواج فراصوت با شدت بالا حباب‌های کوچک خلأ در مایع ایجاد می‌کنند. طی چرخه پرفشار، این حباب‌های کوچک خلأ به‌شکلی مخرب فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می‌شود. فروپاشی درونی حباب‌های کاویتاسیون همچنین ممکن است جت‌های مایع با سرعتی تا 280 m/s ایجاد کند که به نیروهای برشی قدرتمند منجر می‌شوند. نیروهای برشی ذرات را خرد می‌کنند، باعث برخورد بین‌ذره‌ای می‌شوند و قطرات و سلول‌ها را به‌صورت مکانیکی تخریب می‌کنند؛ هم‌زمان، انتقال جرم بسیار کارآمدی را نیز تقویت می‌کنند. این نیروهای کاویتاسیونی دیسپرسیون‌ها، امولسیون‌ها و سوسپانسیون‌های یکنواخت و همگن تولید می‌کنند و همچنین به تقویت واکنش‌های شیمیایی، موسوم به سونوشیمی، شناخته می‌شوند.

کاویتاسیون آکوستیکی (ایجادشده توسط فراصوت پرتوان) به‌صورت موضعی شرایط بسیار شدیدی ایجاد می‌کند که به اثرات سونومکانیکی و سونوشیمیایی معروف‌اند. به‌واسطه این اثرات، فراصوت‌دهی اندازه ذرات جامد و مایع را کاهش می‌دهد و آن‌ها را در قالب فرمولاسیونی همگن مخلوط می‌کند.

مزایای استفاده از سونیکاتورها به‌عنوان هموژنایزر

هموژنایزرهای فراصوتی در تولید سوسپانسیون‌ها و محلول‌های جامد–مایع (موسوم به دوغاب) و مایع–مایع برتری دارند. از آنجا که سونیکاتورها بر اساس کاویتاسیون فراصوتی کار می‌کنند، ماده باید مرطوب یا در یک فاز مرطوب باشد، زیرا کاویتاسیون فقط در مایع رخ می‌دهد. این بدان معناست که سونیکاتور برای مخلوط‌کردن پودر خشک چندان کارآمد نیست، اما به‌محض ترشدن پودر، فراصوت‌دهی کارآمدترین روش اختلاط است. هموژنایزرهای فراصوتی به توانایی قابل‌اعتماد در مخلوط‌کردن، آمیختن و پراکنده‌سازی حتی خمیرها و مواد بسیار گران‌رو معروف‌اند. نیروهای فوق‌العاده شدید ناشی از فروپاشی درونی حباب‌های کاویتاسیون، علاوه بر نیروهای برشی بسیار قدرتمند، دماها و فشارهای بالای موضعی و نیز اختلاف‌های متناظر دما و فشار ایجاد می‌کنند. این ترکیب نیروهای فیزیکی، ذرات را به اندازه‌هایی بسیار کوچک‌تر از اندازه‌های حاصل از هموژنایزر متداول می‌شکند. بنابراین، هموژنایزرهای فراصوتی تجهیزات ترجیحی برای تولید قابل‌اعتماد امولسیون‌ها و دیسپرسیون‌های نانومقیاس هستند.

کاربردهای هموژنایزرهای فراصوتی

هموژنایزرهای فراصوتی در مراکز آزمایشگاهی و صنعتی به‌طور گسترده برای همگن‌سازی سوسپانسیون‌های جامد–مایع و مایع–مایع، کاهش اندازه ذرات، تخریب و استخراج مواد زیستی، تشدید واکنش‌های شیمیایی و حل‌کردن ترکیبات محلول‌پذیر استفاده می‌شوند.

امولسیون‌سازی فراصوتی

امولسیون‌سازی فرایند مخلوط‌کردن دو یا چند مایع امتزاج‌ناپذیر برای تهیه مخلوطی پایدار یا نیمه‌پایدار است. به‌طور کلی، این دو مایع شامل یک فاز روغنی و یک فاز آبی (آب) هستند. برای پایدارکردن مخلوط فازهای مایع مختلف، یک امولسیون‌کننده (سورفکتانت / کمک‌سورفکتانت) افزوده می‌شود. اندازه قطرات امولسیون نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد و پایداری آن دارد. از آنجا که فراصوت پرتوان نیروهای سونومکانیکی ایجاد می‌کند که قطرات را می‌شکنند و به قطرات بسیار ریز تبدیل می‌کنند، فراصوت‌دهی روشی بسیار رایج برای تولید امولسیون‌های میکرونی و نانوامولسیون‌ها است. هموژنایزرهای فراصوتی ابزاری قابل‌اعتماد برای تولید امولسیون‌های O/W و W/O، امولسیون‌های معکوس، امولسیون‌های دوگانه (O/W/O, W/O/W)، مینی‌امولسیون‌ها و نیز امولسیون‌های پیکرینگ هستند. به‌دلیل این انعطاف‌پذیری و توانایی قابل‌اعتماد در امولسیون‌سازی، هموژنایزرهای فراصوتی (که هنگام استفاده برای امولسیون‌سازی گاهی امولسیون‌کننده فراصوتی نیز نامیده می‌شوند) برای نمونه در صنایع شیمیایی، غذایی، دارویی و سوخت برای تولید امولسیون‌هایی با پایداری بلندمدت به کار می‌روند.
برای کسب اطلاعات بیشتر، روی پیوندهای زیر کلیک کنید: نانوامولسیون‌ها و امولسیون‌های پیکرینگ!

پراکنده‌سازی فراصوتی

هموژنایزرهای فراصوتی هنگامی بسیار مؤثرند که لازم باشد اندازه کلوخه‌ها، تجمعات ذره‌ای و حتی ذرات اولیه به‌طور قابل‌اعتماد کاهش یابد. مزیت هموژنایزرهای فراصوتی، توانایی آن‌ها در آسیاب‌کردن ذرات تا اندازه‌های کوچک‌تر و یکنواخت‌تر است، چه هدف فرایند دستیابی به ذرات میکرونی باشد و چه نانوذرات. نیروهای برشی کاویتاسیونی و جریان‌های مایع به ذرات شتاب می‌دهند تا با یکدیگر برخورد کنند. این پدیده برخورد بین‌ذره‌ای نام دارد. خود ذرات نقش محیط آسیاب را ایفا می‌کنند؛ به این ترتیب، آلودگی ناشی از مهره‌های آسیاب و فرایند جداسازی پس از آن، که هنگام استفاده از آسیاب‌های مهره‌ای متداول ضروری است، حذف می‌شود. از آنجا که برخورد بین‌ذره‌ای با سرعت‌های بسیار زیاد، تا 280m/sec، رخ می‌دهد، نیروهای فوق‌العاده زیادی به ذرات وارد می‌شود و در نتیجه آن‌ها به قطعات بسیار ریز می‌شکنند. اصطکاک و فرسایش به این قطعات ذره‌ای سطحی صیقلی و شکلی یکنواخت می‌دهند. ترکیب نیروهای برشی و برخورد بین‌ذره‌ای، مزیت همگن‌سازی و پراکنده‌سازی فراصوتی را در تولید سوسپانسیون‌ها و دیسپرسیون‌های کلوئیدی بسیار همگن فراهم می‌کند!
توالی تصاویر زیر نیروهای کاویتاسیونی فراصوت را بر پولک‌های گرافیت نشان می‌دهد.

توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f) که لایه‌برداری سونومکانیکی یک پولک گرافیت در آب را با استفاده از دستگاه زیر نشان می‌دهد: UP200S، یک سونیکاتور 200W با سونوتْرود 3-mm. پیکان‌ها محل شکاف‌خوردن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به داخل آن نفوذ می‌کنند.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

پراکنده‌سازی و همگن‌سازی نانومواد

تهیه مخلوط‌های نانومقیاس، هم برای امولسیون‌ها و هم برای دیسپرسیون‌ها، کاری چالش‌برانگیز است. بیشتر روش‌های متداول همگن‌سازی و اختلاط، مانند مخلوط‌کن‌های تیغه‌ای، آسیاب‌های مهره‌ای، هموژنایزرهای فشار بالا و سایر مخلوط‌کن‌ها، می‌توانند ذراتی با اندازه میکرونی تولید کنند، اما نمی‌توانند قطرات و مواد جامد را به‌طور قابل‌اعتماد تا اندازه نانومتری خرد کنند. این امر عمدتاً ناشی از شدت ناکافی است. برای مثال، مخلوط‌کن‌های تیغه‌ای برش کافی برای شکستن ذرات تا اندازه نانومتری فراهم نمی‌کنند. آسیاب‌های مهره‌ای، که نوع دیگری از هموژنایزر هستند، نمی‌توانند مواد جامد را به‌طور یکنواخت تا اندازه ذره‌ای ریزتر از خود مهره‌ها (محیط آسیاب) آسیاب کنند. مهره‌های آسیاب متداول اندازه متوسطی بین 1٬500 mm – 35٬000 mm دارند. مشکل دیگر، آلودگی ناشی از سایش و فرسودگی محیط آسیاب است. از آنجا که سونیکاتورها نیروهای برشی فوق‌العاده زیاد و درعین‌حال با قابلیت کنترل دقیق فراهم می‌کنند، کاویتاسیون فراصوتی روش ترجیحی برای تولید قابل‌اعتماد نانودیسپرسیون‌ها و نانوامولسیون‌ها در سامانه‌های آزمایشگاهی (R&D)، پایلوت و صنعتی است.

افزایش مقیاس فرایندهای همگن‌سازی فراصوتی

هنگام افزایش مقیاس از هموژنایزر فراصوتی آزمایشگاهی به سونیکاتور پایلوت و از سامانه پایلوت به هموژنایزر فراصوتی برای تولید در مقیاس کامل، می‌توان افزایش مقیاس را کاملاً خطی انجام داد! تمام پارامترهای مهم فرایند، مانند دامنه، فشار، دما و زمان پردازش، ثابت نگه داشته می‌شوند؛ تنها مساحت سطح پروب فراصوتی و سونیکاتور، به‌عنوان محرک انرژی‌رسان پروب، با استفاده از واحدهای بزرگ‌تر و پرتوان‌تر افزایش مقیاس می‌یابند. مقیاس‌پذیری خطی فرایندهای همگن‌سازی فراصوتی امکان می‌دهد در تولید بزرگ‌مقیاس همان نتایج باکیفیت حاصل از شرایط آزمایشگاهی و پایلوت به دست آید.

مناسب‌ترین هموژنایزر فراصوتی را برای فرایند خود بیابید!

Hielscher Ultrasonics شریک باسابقه شما در زمینه هموژنایزرهای فراصوتی است. تمام سونیکاتورهای Hielscher پیش از ارسال به مشتریان ما در سراسر جهان، در مقر اصلی ما در آلمان طراحی، تولید و آزمایش می‌شوند. هموژنایزرهای فراصوتی Hielscher دستگاه‌هایی باکیفیت هستند که با عملکرد بالای مستمر، قابلیت اطمینان، استحکام و سهولت استفاده شناخته می‌شوند. پیشرفتگی فنی فناوری همگن‌سازی فراصوتی، مزیت‌های رقابتی در اختیار کاربران تجهیزات Hielscher می‌گذارد که آن‌ها را به پیشتاز بازار در صنعت خود تبدیل می‌کند. Hielscher با طیف گسترده محصولات، شامل هموژنایزرهای آزمایشگاهی و رومیزی، سامانه‌های پایلوت و هموژنایزرهای فراصوتی کاملاً صنعتی برای تولید تجاری، سامانه اختلاط فراصوتی ایدئال را برای نیازهای شما ارائه می‌کند. لوازم جانبی متنوع امکان دستیابی به پیکربندی ایدئال هموژنایزر فراصوتی را فراهم می‌کنند – متناسب با نیازهای اختصاصی شما.
نیازها و مشخصات فرایند خود را با ما در میان بگذارید – با کمال میل مناسب‌ترین و کارآمدترین هموژنایزر فراصوتی را برای کاربرد شما پیشنهاد می‌کنیم!

کارایی بالا با استفاده از هموژنایزرهای فراصوتی

هموژنایزرهای فراصوتی Hielscher به‌دلیل کارایی فوق‌العاده فرایند، هزینه سرمایه‌گذاری معقول، بهره‌وری انرژی بسیار بالا و هزینه‌های کم نیروی کار و نگهداری، از روش‌های متداول همگن‌سازی پیشی می‌گیرند و بازگشت سریع سرمایه، RoI، را فراهم می‌کنند. اغلب، هزینه هموژنایزر فراصوتی ظرف چند ماه بازمی‌گردد.

فراصوت پرتوان برای همگن‌سازی صنعتی

دامنه، مهم‌ترین پارامتر فرایند در فرایندهای همگن‌سازی مبتنی بر فراصوت است. تمام سونیکاتورهای Hielscher امکان کنترل دقیق دامنه را فراهم می‌کنند. بسته به هدف فرایند، می‌توان برای شرایط پردازش ملایم‌تر دامنه کمتری تنظیم کرد یا برای نتایج پراکنده‌سازی با تخریب بیشتر، دامنه بالاتری انتخاب کرد. سونیکاتورهای صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. دامنه‌های تا 200µm را می‌توان به‌آسانی در کارکرد 24/7 به‌صورت پیوسته به کار گرفت. برای دامنه‌های باز هم بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.

نیاز کم هموژنایزرهای فراصوتی به نگهداری

هموژنایزرهای فراصوتی علاوه بر مزایای دیگر، به‌آسانی تمیز می‌شوند، زیرا سونوتْرود و راکتور تنها قطعات ترشونده‌ای هستند که با ماده تحت پردازش تماس پیدا می‌کنند. سونوتْرود (که هورن یا پروب فراصوتی نیز نامیده می‌شود) و راکتور به‌ترتیب از تیتانیوم و فولاد زنگ‌نزن ساخته شده‌اند و هندسه‌ای ساده و بدون روزنه یا گوشه‌های مرده دارند.
تنها قطعه‌ای که در معرض سایش و فرسودگی قرار می‌گیرد پروب فراصوتی است که می‌توان آن را بدون اختلال قابل‌توجه در کارکرد تعویض کرد. تعویض سونوتْرود سونیکاتور آزمایشگاهی حدود 10 min زمان می‌برد، درحالی‌که تعویض سونوتْرود هموژنایزر فراصوتی صنعتی ممکن است حدود 30–45 min طول بکشد.

همین حالا با ما تماس بگیرید! تیم باتجربه ما با کمال میل اطلاعات فنی و توصیه‌های مرتبط با فرایند را در اختیار شما قرار می‌دهد!

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد: