Homogenisaattorilla – Toimintaperiaate, käyttö ja skaalaus
Homogenisaattorit ovat eräänlainen sekoittimet, jotka käyttävät mekaanisia voimia sekoittamaan, emulgoimaan, hajottamaan ja liuottamaan neste-neste- ja kiinteä-nestemäisiä järjestelmiä. Homogenisaattorimallista riippuen pyörimisleikkausta, suuttimia tai suuritehoista ultraääntä käytetään tarvittavien voimien luomiseen kiinteiden hiukkasten sekä nestepisaroiden hajottamiseksi ja hajottamiseksi. Lue lisää homogenisaattorilaitteista ja niiden sovelluksista tutkimuksessa ja tuotannossa!
Mikä on homogenisaattori?
Homogenisaattori on sekoituslaitteiden luokka, joka on suunniteltu hajottamaan sekä kiinteät että nestemäiset hiukkaset yhtenäiseksi seokseksi. Homogenisaattoreita on saatavana laboratorio-, penkki- ja teollisuuslaitteina, joita käytetään erilaisiin sovelluksiin tutkimuksessa ja teollisuudessa. Homogenisaattorin tyypillinen käyttö sisältää erilaisten materiaalien, kuten hiukkasten, pigmenttien, kemikaalien, kasvien, elintarvikkeiden, solujen, kudosten sekoittamisen ja hajoamisen.
Ota meihin yhteyttä saadaksesi lisätietoja homogenisaattoreista, sonikaatiosta ja siitä, miten voit käyttää sonikaattoreitamme prosessiisi!
MultiSonoReactor MSR-4 on teollinen inline-homogenisaattori, jossa on 16 000 watin tehoiset ultraäänilaitteet vaativiin sovelluksiin, kuten nanodispersioihin ja nanoemulsioihin.
Yleiskatsaus eri homogenisaattorityyppeihin
Erilaisia homogenisaattorityyppejä on kaupallisesti saatavilla käytettäväksi penkki- ja teollisessa laajamittaisessa tuotannossa. Kuitenkin roottori / staattori (kolloidi) sekoittimet, korkeapainehomogenisaattorit ja ultraäänihomogenisaattorit ovat yleisimmin käytettyjä malleja.
Juoksupyörässä tai teräsekoittimissa on pyörivä terä, joka pyörii suurella nopeudella sekoitusastian pohjassa yhdistäen siten erilaisia materiaaleja homogeeniseksi seokseksi.
Kuten roottori/staattorisekoittimen nimi jo viittaa, roottori/staattorisekoittimessa on roottori ja staattorikomponentti. Roottori on metalliakseli, joka pyörii suurilla nopeuksilla staattorissa. Staattori on metalliosa, joka pysyy paikallaan. Roottorin pyöriminen luo imuvaikutuksen, joka siirtää kiinteää nestemäistä materiaalia staattorin ja roottorin välillä, jolloin kiinteät aineet pienenevät pienempään hiukkaskokoon.
Korkeapainehomogenisaattorin (HPH) toimintaperiaate perustuu korkeapainepumpun ja venttiilin (suutin, aukko) käyttöön, mikä tekee laitteista suuria, raskaita ja kalliita. Käsitelty liete pakotetaan suurella virtausnopeudella pienen aukon läpi, mikä pienentää hiukkaskokoa, koska hiukkaset vaativat tietyn pienen koon kulkeakseen venttiilin läpi. Erityisesti kiinteitä aineita käsiteltäessä HPH: t ovat alttiita tukkeutumiselle.
Ultraäänihomogenisaattorit käyttävät akustisen kavitaation tuottamia suuria leikkausvoimia, mikä antaa niille erilaisia etuja muihin homogenisointitekniikoihin verrattuna. Ultraäänihomogenoinnin toimintaperiaate ja edut on esitetty alla.
Suuritehoinen ultraääni homogenisoivana voimana
Ultraäänihomogenisaattori käyttää korkean intensiteetin ultraäänivärähtelyjä ja kavitaatiota erittäin voimakkaiden leikkausvoimien luomiseksi, ja siksi sitä voidaan kutsua erittäin intensiiviseksi korkean leikkauksen sekoittimeksi. Erittäin voimakkaiden suurten leikkausvoimien salaisuus on akustinen kavitaatio, joka syntyy suuritehoisista ultraääniaalloista. Ultraäänihomogenisaattorissa on generaattori, joka on virtalähde ja ohjausyksikkö sekä anturi. Anturi sisältää pietsosähköistä keramiikkaa. Nämä pietsosähköiset keramiikat muuttavat sähköenergian värähtelyksi, koska pietsosähköiset kiteet muuttavat kokoaan ja muotoaan jännitettä käytettäessä. Kun elektronisen oskillaattorin taajuus on yhtä suuri kuin pietsosähköisen kvartsin luonnollinen taajuus, tapahtuu resonanssi. Resonanssiolosuhteissa kvartsi tuottaa pitkittäisiä ultraääniaaltoja, joilla on suuri amplitudi.
Tuotetut ultraääniaallot kytketään sitten ultraäänianturin (sonotrode / horn) kautta prosessiväliaineeseen. Ultraäänianturin amplitudi määrittää ultraääniaaltojen voimakkuuden, jotka siirretään nesteeseen tai lietteeseen. Ultraääniaallot tuottavat vuorotellen korkeapaine- ja matalapainesyklejä nestemäisissä väliaineissa. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot tuottavat pieniä tyhjiökuplia nesteessä. Korkeapainejakson aikana pienet tyhjiökuplat romahtavat tuhoisasti. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Kavitaatiokuplien luhistuminen voi myös tuottaa nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280 m / s, mikä johtaa voimakkaisiin leikkausvoimiin. Leikkausvoimat rikkovat hiukkaset, aiheuttavat hiukkasten välisen törmäyksen ja häiritsevät pisaroita ja soluja mekaanisesti edistäen samalla erittäin tehokasta massansiirtoa. Nämä kavitaatiovoimat tuottavat yhtenäisiä ja homogeenisia dispersioita, emulsioita ja suspensioita, ja niiden tiedetään myös edistävän kemiallisia reaktioita (ns. sonokemia).
Akustinen kavitaatio (syntyy suuritehoisella ultraäänellä) luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, niin sanottuja sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia. Näiden vaikutusten vuoksi sonikaatio vähentää kiinteitä ja nestemäisiä hiukkasia ja sekoittaa ne homogeeniseksi formulaatioksi.
Ultraäänikavitaatio kascatrodin koettimessa ultraäänilaite UIP1000hdT (1000 wattia, 20 kHz) lasireaktorissa. Pohjasta tulevaa punaista valoa käytetään kavitaation näkyvyyden parantamiseen.
Ultraääni homogenisaattorit – Etuja
Ultraäänihomogenisaattorit ovat ylivoimaisia, kun on kyse kiinteän nesteen (ns. lietteen) ja neste-neste-suspensioiden ja liuosten tuotannosta. Koska ultraäänilaitteet käyttävät ultraäänikavitaation toimintaperiaatetta, materiaalin tulee olla märkä tai märässä vaiheessa, koska kavitaatio tapahtuu vain nesteessä. Tämä tarkoittaa, että ultraäänilaite ei olisi kovin tehokas kuivan jauheen sekoittamisessa, mutta heti kun jauhe kastuu, sonikaatio on tehokkain sekoitusmenetelmä. Ultraäänihomogenisaattoreiden tiedetään sekoittavan, sekoittavan ja hajottavan luotettavasti jopa tahnoja ja erittäin viskooseja materiaaleja. Kavitaatiokuplien luhistumisen aiheuttamat poikkeuksellisen voimakkaat voimat luovat paitsi erittäin voimakkaita suuria leikkausvoimia myös paikallisesti rajoittuneita korkeita lämpötiloja ja paineita sekä vastaavia eroja. Nämä fyysisten voimien yhdistelmät häiritsevät hiukkasia paljon pienempiin kokoihin kuin tavanomainen homogenisaattori. Siksi ultraäänihomogenisaattorit ovat edullisia laitteita nanokokoisten emulsioiden ja dispersioiden luotettavaan tuotantoon.
- erinomainen hyötysuhde
- pystyy toimittamaan erittäin keskittynyttä energiaa
- Erinomaiset tulokset mikronissa ja nanossa
- mikroni- ja nanokokoisille emulsioille ja dispersioille
- mikä tahansa tilavuus millilitrasta tonniin tunnissa
- Erä ja inline
- kertapäästöä ja kierrätystä varten
- tarkka prosessinohjaus
- yksinkertainen käyttö
- helppo puhdistaa
- vähän huoltoa vaativa
Ultraäänihomogenisaattoreiden sovellukset
Ultraäänihomogenisaattoreita käytetään laajalti laboratorio- ja teollisuuslaitoksissa kiinteiden nestemäisten ja nestemäisten suspensioiden homogenisoimiseksi, hiukkaskoon pienentämiseksi, biologisen materiaalin häiritsemiseksi ja uuttamiseksi, kemiallisten reaktioiden tehostamiseksi ja liukoisten yhdisteiden liuottamiseksi.
Ultraääniemulgointi
Emulgointi on prosessi, jossa kaksi tai useampia sekoittumattomia nesteitä sekoitetaan yhteen stabiilin tai puolistabiilin seoksen valmistamiseksi. Yleensä nämä kaksi nestettä koostuvat öljyfaasista ja vesifaasista (vesifaasista). Eri nestefaasien seoksen stabiloimiseksi lisätään emulgointiainetta (pinta-aktiivinen aine / rinnakkaispinta-aktiivinen aine). Emulsion pisarakoolla on ratkaiseva rooli emulsion toimivuuden ja stabiilisuuden kannalta. Koska teho-ultraääni luo sonomekaanisia voimia, jotka hajottavat pisarat ja vähentävät ne pieniksi pisaroiksi, sonikaatio on erittäin suosittu menetelmä mikroni- ja nanoemulsioiden tuottamiseksi. Ultraäänihomogenisaattorit ovat luotettava työkalu O / W- ja W / O-emulsioiden, käänteisemulsioiden, kaksoisemulsioiden (O / W / O, W / O / W), miniemulsioiden sekä Pickering-emulsioiden valmistukseen. Tämän joustavuuden ja luotettavan emulgointikapasiteetin perusteella ultraäänihomogenisaattoreita (joita joskus kutsutaan myös ultraääniemulgointiaineiksi, kun niitä käytetään emulgointiin) käytetään esimerkiksi kemian-, elintarvike-, lääke- ja polttoaineteollisuudessa pitkäaikaisten stabiilien emulsioiden tuottamiseksi.
Napsauta seuraavia linkkejä saadaksesi lisätietoja nano-emulsiot ja Pickering-emulsiot!
Ultraääni dispersio
Ultraäänihomogenisaattorit ovat erittäin tehokkaita, kun hiukkasten agglomeraatteja, aggregaatteja ja jopa primaarisia hiukkasia on pienennettävä luotettavasti. Ultraäänihomogenisaattoreiden etuna on niiden kyky jauhaa hiukkasia pienempiin ja yhtenäisempiin hiukkaskokoihin riippumatta siitä, kohdistetaanko mikroni- tai nanohiukkasia prosessin tuloksena. Kavitaatioleikkausvoimat ja nestevirrat kiihdyttävät hiukkasia niin, että ne törmäävät toisiinsa. Tätä kutsutaan hiukkasten väliseksi törmäykseksi. Itse hiukkaset toimivat jyrsintäaineena, joka estää saastumisen jauhamalla helmiä ja sitä seuraavaa erotusprosessia, mikä on välttämätöntä tavanomaisia helmimyllyjä käytettäessä. Koska hiukkaset törmäävät hiukkasten väliseen törmäykseen erittäin suurilla nopeuksilla, jopa 280 m/s, hiukkasiin kohdistuu poikkeuksellisen suuria voimia, jotka siksi hajoavat pieniksi fraktioiksi. Kitka ja eroosio antavat näille hiukkaspalasille kiillotetun pinnan ja tasaisen muodon. Leikkausvoimien ja hiukkasten välisen törmäyksen yhdistelmä antaa ultraäänihomogenisoinnin ja dispersion edullisen reunan, joka tuottaa erittäin homogeenisia kolloidisia suspensioita ja dispersioita!
Alla oleva kuvasarja kuvaa ultraäänen kavitaatiovoimia grafiittihiutaleissa.
Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttäen UP200S, 200W ultraäänilaite 3 mm: n sonotrodilla. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
© Tyurnina ym. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Nanomateriaalien dispersio ja homogenointi
Sekä emulsioille että dispersioille nanokokoisten seosten valmistus on haastava tehtävä. Useimmat tavanomaiset homogenointi- ja sekoitustekniikat, kuten teräsekoittimet, helmimyllyt, korkeapainehomogenisaattorit ja muut sekoittimet, pystyvät tuottamaan mikronikokoisia hiukkasia, mutta ne eivät pysty luotettavasti hajottamaan pisaroita ja kiinteitä aineita nanokokoisiksi. Tämä johtuu enimmäkseen riittämättömästä intensiteetistä. Esimerkiksi teräsekoittimet eivät tarjoa tarpeeksi leikkausta hiukkasten hajottamiseksi nanokokoisiksi. Helmimyllyt, toinen homogenisaattorityyppi, eivät voi jauhaa kiinteitä aineita tasaisesti hienompaan hiukkaskokoon kuin itse helmet (jauhatusmateriaali). Tavanomaisten hiomahelmien keskikoko on 1 500 mm – 35 000 mm. Toinen ongelma on jyrsintäaineen kulumisen aiheuttama saastuminen. Koska ultraäänilaitteet tarjoavat poikkeuksellisen suuria, mutta tarkasti hallittavia leikkausvoimia, ultraäänikavitaatio on edullinen tekniikka nanodispersion ja nanoemulsioiden luotettavaan tuotantoon laboratoriossa (R&D), pilotti- ja teollisuusjärjestelyt.
Ultraäänidispersiot osoittavat yhtenäisen hiukkaskokojakauman homogeenisesti pelkistetyillä hiukkasilla. Käyrät osoittavat piidioksidin hiukkasjakauman ennen ultraääntä (vihreä käyrä) ja ultraäänidispersion jälkeen (punainen käyrä).
Ultraäänihomogenisointiprosessien laajentaminen
Kun skaalataan laboratorion ultraäänihomogenisaattorista pilottiultraäänilaitteeseen ja pilottijärjestelmästä täysimittaiseen tuotannon ultraäänihomogenisaattoriin, skaalausta voidaan soveltaa täysin lineaarisesti! Kaikki tärkeät prosessiparametrit, kuten amplitudi, paine, lämpötila ja käsittelyaika, pidetään vakioina, vain ultraäänianturin pinta-ala ja ultraäänilaite anturin energisenä sekoittimena skaalataan suurempiin, tehokkaampiin yksiköihin. Ultraäänihomogenisointiprosessien lineaarinen skaalautuvuus mahdollistaa suurten tuotantojen samojen korkealaatuisten tulosten saamisen kuin laboratorio- ja pilottiasetuksissa.
Löydä prosessillesi sopivin ultraäänihomogenisaattori!
Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokenut kumppani ultraäänihomogenisaattoreille. Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet on suunniteltu, valmistettu ja testattu pääkonttorissamme Saksassa ennen kuin lähetämme ne asiakkaillemme maailmanlaajuisesti. Hielscherin ultraäänihomogenisaattorit ovat korkealaatuisia laitteita, jotka on varustettu jatkuvalla suorituskyvyllä, luotettavuudella, kestävyydellä ja käyttäjäystävällisyydellä. Ultraäänihomogenisointitekniikan tekninen hienostuneisuus antaa Hielscher-laitteiden käyttäjille kilpailuetuja, jotka tekevät niistä alan markkinajohtajan. Laaja tuotevalikoima laboratorio- ja penkkihomogenisaattoreista, pilottijärjestelmistä ja täysteollisista ultraäänihomogenisaattoreista kaupallisiin tuotantoihin, Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänisekoitusjärjestelmä tarpeisiisi. Jakotukin lisävarusteet mahdollistavat ihanteellisen ultraäänihomogenisaattorin asennuksen – yksilöllisten tarpeiden yhteensovittaminen.
Kerro meille prosessisi vaatimukset ja tekniset tiedot – Suosittelemme mielellämme sopivinta ja tehokkainta ultraäänihomogenisaattoria sovellukseesi!
Tehokas käyttämällä ultraäänihomogenisaattoreita
Poikkeuksellisen prosessitehokkuuden, kohtuullisten investointikustannusten, erittäin korkean energiatehokkuuden ja alhaisten työvoima- ja ylläpitokustannusten vuoksi Hielscherin ultraäänihomogenisaattorit kilpailevat tavanomaisilla homogenisointitekniikoilla ja saavuttavat nopean sijoitetun pääoman tuottoprosentin (sijoitetun pääoman tuotto). Usein ultraäänihomogenisaattori poistetaan muutaman kuukauden kuluessa.
Suuritehoinen ultraääni teolliseen homogenointiin
Amplitudi on tärkein prosessiparametri ultraääniohjatuissa homogenisointiprosesseissa. Kaikki Hielscher-ultraääniastiat mahdollistavat amplitudin tarkan hallinnan. Prosessikohteesta riippuen voidaan asettaa pienempi amplitudi lievemmille käsittelyolosuhteille tai valita suuri amplitudi tuhoisammille dispersiotuloksille. Hielscherin teolliset sonicators voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Alhaiset huoltovaatimukset ultraäänihomogenisaattoreille
Ultraäänihomogenisaattorit eivät ole vain helppoja puhdistaa, koska sonotrode ja reaktori ovat ainoat komponentit, jotka ovat märkiä osia ja joutuvat kosketuksiin käsitellyn materiaalin kanssa. Sonotrode (tunnetaan myös nimellä ultraäänisarvi tai koetin) ja reaktori on valmistettu titaanista ja ruostumattomasta teräksestä, ja niillä on puhtaat geometriat ilman aukkoja tai kuolleita kulmia.
Ainoa osa, joka on kulunut, on ultraäänianturi, joka voidaan vaihtaa ilman merkittäviä häiriöitä toiminnalle. Laboratorion ultraäänilaitteen sonotrode vaihdetaan noin 10 minuutissa, kun taas teollisen ultraäänihomogenisaattorin sonotrodin vaihto voi kestää noin 30-45 minuuttia.
Ota yhteyttä nyt! Kokenut tiimimme antaa mielellään teknistä tietoa ja prosessiin liittyviä suosituksia!
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| 0.3 - 60L | 0.6 - 12L / min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Usein kysyttyjä kysymyksiä homogenisaattoreista
- Mikä on homogenisaattorin toiminnan periaate? Homogenisaattori kohdistaa leikkausvoimia nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin. Koura pienentää kiinteä-nestemäisten ja neste-nestemäisten seosten hiukkaskokoa ja tuottaa tasaiset hiukkaskokojakaumat. Homogenisaattorit voivat tuottaa stabiileja emulsioita tai dispersioita.
- Mikä on homogenointiprosessin periaate? Homogenoinnin perusperiaate sisältää mekaanisen voiman, kuten ultraäänivärähtelyn ja kavitaation, soveltamisen heterogeeniseen seokseen hiukkasten hajottamiseksi tasaisesti hienoksi kooksi, jolloin saavutetaan johdonmukainen ja vakaa seos, joka estää erottumisen ajan myötä.
- Mikä on homogenoinnin ensisijainen tarkoitus? Homogenoinnin ensisijainen tarkoitus on parantaa tuotteen stabiilisuutta ja konsistenssia pienentämällä hiukkaskokoa. Tämä prosessi parantaa seoksen fysikaalisia ominaisuuksia, kuten viskositeettia, rakennetta ja säilyvyyttä, mikä tekee siitä ratkaisevan tärkeän elintarvikkeiden jalostuksessa, lääkkeissä ja kosmetiikassa.
Lue lisää ultraääniruokahomogenisaattoreista! - Mikä on ultraäänihomogenointi? Ultraäänihomogenisointi käyttää korkeataajuisia ääniaaltoja kavitaation indusoimiseksi nestemäisessä väliaineessa, mikä johtaa voimakkaisiin leikkausvoimiin, jotka hajottavat hiukkaset mikroskooppisella tasolla. Tämä menetelmä on erityisen tehokas solujen häiriöihin, nanohiukkasten leviämiseen ja emulgointiin.
- Mikä on sonikaatio homogenointia varten? Sonikaatio homogenointiin sisältää ultraäänienergian levittämisen näytteisiin hienon, yhtenäisen sekoittumisen saavuttamiseksi. Tämä prosessi on tehokas hajottamaan, emulgoimaan ja pienentämään hiukkasten kokoa nesteessä, jota käytetään laajalti sekä tutkimuksessa että teollisuudessa.
- Mitkä ovat 2 sonikaatiomenetelmän tyyppiä? Sonikaatiomenetelmien kaksi ensisijaista tyyppiä ovat suora ja epäsuora sonikaatio. Suora sonikaatio sisältää koettimen upottamisen suoraan näytteeseen, kun taas epäsuora sonikaatio tapahtuu kylvyssä, jossa näytteet sijoitetaan astiaan, joka on upotettu sonikaatioystävälliseen nesteeseen. Suora sonikaatio on tyypillisesti voimakkaampaa ja tehokkaampaa homogenointiin kuin epäsuora sonikaatio.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.