Homogénéisateurs – principe de fonctionnement, utilisation et mise à l’échelle

Les homogénéisateurs sont un type de mélangeurs qui appliquent des forces mécaniques pour mélanger, émulsionner, disperser et dissoudre des systèmes liquide-liquide et solide-liquide. Selon le modèle d’homogénéisateur, le cisaillement rotatif, des buses ou des ultrasons de haute puissance sont utilisés pour générer les forces nécessaires à la désintégration et à la fragmentation des particules solides ainsi que des gouttelettes liquides. Découvrez-en plus sur les homogénéisateurs et leurs applications en recherche et en production !

Qu’est-ce qu’un homogénéisateur ?

Un homogénéisateur est une catégorie d’appareils de mélange conçue pour fragmenter les particules, solides comme liquides, afin d’obtenir un mélange uniforme. Les homogénéisateurs sont disponibles sous forme d’équipements de laboratoire, de paillasse et industriels, utilisés pour diverses applications dans la recherche et l’industrie. Les applications typiques de l’homogénéisateur comprennent le mélange et la désintégration de divers matériaux, notamment des particules, des pigments, des produits chimiques, des plantes, des aliments, des cellules et des tissus, entre autres.

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Aperçu des différents types d’homogénéisateurs

Divers types d’homogénéisateurs sont disponibles dans le commerce pour une utilisation sur paillasse et en production industrielle à grande échelle. Toutefois, les mélangeurs rotor/stator (colloïdaux), les homogénéisateurs haute pression et les homogénéisateurs à ultrasons sont les modèles les plus largement utilisés.
Les mélangeurs à hélice ou à pales disposent d’une pale qui tourne à grande vitesse au fond de la cuve de mélange, combinant ainsi divers matériaux en un mélange homogène.
Comme son nom l’indique déjà, un mélangeur rotor/stator comporte un rotor et un stator. Le rotor est un arbre métallique qui tourne à grande vitesse à l’intérieur du stator. Le stator est la partie métallique qui reste immobile. La rotation du rotor crée un effet d’aspiration qui fait passer le matériau solide-liquide entre le stator et le rotor, où les solides sont réduits à une taille de particule plus petite.
Le principe de fonctionnement de l’homogénéisateur haute pression (HPH) repose sur l’utilisation d’une pompe haute pression et d’une vanne (buse, orifice), ce qui rend l’équipement volumineux, lourd et coûteux. La boue traitée est forcée à grande vitesse d’écoulement à travers un petit orifice, ce qui réduit la taille des particules, car celles-ci doivent avoir une certaine petite taille pour pouvoir passer à travers la vanne. En particulier lors du traitement de solides, les HPH sont sujets au colmatage.
Les homogénéisateurs à ultrasons utilisent les forces de cisaillement élevé générées par la cavitation acoustique, ce qui leur confère divers avantages par rapport aux autres techniques d’homogénéisation. Le principe de fonctionnement et les avantages de l’homogénéisation par ultrasons sont présentés ci-dessous.

Les ultrasons de haute puissance comme force d’homogénéisation

Un homogénéisateur à ultrasons utilise des vibrations ultrasonores de haute intensité et la cavitation pour créer des forces de cisaillement très intenses et peut donc être qualifié de mélangeur à cisaillement élevé super intense. Le secret de ces forces de cisaillement élevé super intenses réside dans la cavitation acoustique, générée par des ondes ultrasonores de haute puissance. Un homogénéisateur à ultrasons comporte un générateur, qui constitue l’unité d’alimentation et de commande, et un transducteur. Le transducteur contient des céramiques piézoélectriques. Ces céramiques piézoélectriques convertissent l’énergie électrique en oscillation, car les cristaux piézoélectriques changent de taille et de forme lorsqu’une tension leur est appliquée. Lorsque la fréquence de l’oscillateur électronique est égale à la fréquence propre du quartz piézoélectrique, il se produit une résonance. Dans des conditions de résonance, le quartz produit des ondes ultrasonores longitudinales de grande amplitude.
Les ondes ultrasonores générées sont ensuite couplées dans le milieu de traitement via la sonde ultrasonore (sonotrode / cornet). L’amplitude au niveau de la sonde ultrasonore détermine l’intensité des ondes ultrasonores transmises dans le liquide ou la boue. Les ondes ultrasonores génèrent dans les milieux liquides des cycles alternés de haute pression et de basse pression. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité produisent de petites bulles de vide dans le liquide. Pendant le cycle de haute pression, les petites bulles de vide s’effondrent de manière destructrice. Ce phénomène est appelé cavitation. L’implosion des bulles de cavitation peut également générer des jets de liquide à une vitesse élevée allant jusqu’à 280 m/s, entraînant de puissantes forces de cisaillement. Les forces de cisaillement brisent les particules, provoquent des collisions interparticulaires et désagrègent mécaniquement les gouttelettes et les cellules, tout en favorisant un transfert de masse très efficace. Ces forces de cavitation produisent des dispersions, des émulsions et des suspensions uniformes et homogènes et sont également connues pour favoriser les réactions chimiques (ce que l’on appelle la sonochimie).

La cavitation acoustique (générée par des ultrasons de haute puissance) crée des conditions localement extrêmes, appelées effets sonomécaniques et sonochimiques. Grâce à ces effets, la sonication réduit les particules solides et liquides et les mélange en une formulation homogène.

Avantages de l’utilisation de sonicateurs comme homogénéisateurs

Les homogénéisateurs à ultrasons sont supérieurs lorsqu’il s’agit de produire des suspensions et des solutions solide-liquide (appelées boues) et liquide-liquide. Comme les ultrasonicateurs reposent sur le principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonore, le matériau doit être humide ou en phase humide, car la cavitation ne se produit que dans un liquide. Cela signifie qu’un ultrasonicateur ne serait pas très efficace pour mélanger une poudre sèche, mais dès que la poudre est mouillée, la sonication est la méthode de mélange la plus efficace. Les homogénéisateurs à ultrasons sont réputés pour mélanger, malaxer et disperser de manière fiable même des pâtes et des matériaux très visqueux. Les forces extraordinairement intenses provoquées par l’implosion des bulles de cavitation créent non seulement des forces de cisaillement élevé très puissantes, mais aussi des températures et des pressions élevées localement confinées ainsi que les différentiels correspondants. Cette combinaison de forces physiques désagrège les particules jusqu’à des tailles bien plus petites qu’un homogénéisateur conventionnel. C’est pourquoi les homogénéisateurs à ultrasons sont l’équipement privilégié pour la production fiable d’émulsions et de dispersions de taille nanométrique.

Applications des homogénéisateurs à ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons sont largement utilisés dans les installations de laboratoire et industrielles pour homogénéiser des suspensions solide-liquide et liquide-liquide, réduire la taille des particules, désagréger et extraire des matériaux biologiques, intensifier des réactions chimiques et dissoudre des composés solubles.

Émulsification par ultrasons

L’émulsification est le procédé consistant à mélanger deux liquides non miscibles ou plus afin de préparer un mélange stable ou semi-stable. En général, ces deux liquides se composent d’une phase huileuse et d’une phase aqueuse (eau). Pour stabiliser le mélange des différentes phases liquides, on ajoute un émulsifiant (tensioactif / co-tensioactif). La taille des gouttelettes d’une émulsion joue un rôle crucial pour la fonctionnalité et la stabilité de l’émulsion. Comme les ultrasons de puissance créent des forces sonomécaniques qui brisent les gouttelettes et les réduisent en gouttelettes minuscules, la sonication est une méthode très répandue pour la production d’émulsions micrométriques et de nanoémulsions. Les homogénéisateurs à ultrasons sont un outil fiable pour la production d’émulsions O/W et W/O, d’émulsions inverses, d’émulsions doubles (O/W/O, W/O/W), de mini-émulsions ainsi que d’émulsions de Pickering. Grâce à cette flexibilité et à cette capacité d’émulsification fiable, les homogénéisateurs à ultrasons (parfois aussi appelés émulsifieurs à ultrasons lorsqu’ils sont utilisés pour l’émulsification) sont utilisés, par exemple, dans les industries chimique, alimentaire, pharmaceutique et des carburants pour produire des émulsions stables à long terme.
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Dispersion par ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsque des agglomérats, des agrégats et même des particules primaires doivent être réduits en taille de manière fiable. L’avantage des homogénéisateurs à ultrasons réside dans leur capacité à broyer les particules jusqu’à des tailles plus petites et plus uniformes, que l’objectif du procédé soit des microparticules ou des nanoparticules. Les forces de cisaillement de cavitation et les courants de liquide accélèrent les particules de sorte qu’elles entrent en collision les unes avec les autres. C’est ce que l’on appelle la collision interparticulaire. Les particules elles-mêmes servent de milieu de broyage, ce qui évite la contamination par les billes de broyage ainsi que le processus de séparation ultérieur, nécessaire lorsque des broyeurs à billes conventionnels sont utilisés. Comme les particules se heurtent par collision interparticulaire à des vitesses très élevées allant jusqu’à 280m/sec, des forces extraordinairement élevées s’exercent sur les particules, qui se brisent donc en fragments minuscules. Le frottement et l’érosion confèrent à ces fragments de particules une surface polie et une forme uniforme. La combinaison des forces de cisaillement et de la collision interparticulaire donne à l’homogénéisation et à la dispersion par ultrasons un avantage décisif, en produisant des suspensions colloïdales et des dispersions hautement homogènes !
La séquence d’images ci-dessous montre les forces de cavitation des ultrasons sur des paillettes de graphite.

Une séquence d’images à grande vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sonomécanique d’une paillette de graphite dans l’eau à l’aide de l’UP200S, un ultrasonicateur de 200W avec une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’endroit de la séparation (exfoliation), avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fente.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersion et homogénéisation de nanomatériaux

Pour les émulsions comme pour les dispersions, la préparation de mélanges de taille nanométrique est une tâche difficile. La plupart des techniques conventionnelles d’homogénéisation et de mélange, telles que les mélangeurs à pales, les broyeurs à billes, les homogénéisateurs haute pression et d’autres mélangeurs, sont capables de produire des particules de taille micrométrique, mais elles ne peuvent pas réduire de manière fiable les gouttelettes et les solides jusqu’à la taille nanométrique. Cela est principalement dû à une intensité insuffisante. Par exemple, les mélangeurs à pales ne fournissent pas assez de cisaillement pour réduire les particules à la taille nanométrique. Les broyeurs à billes, un autre type d’homogénéisateur, ne peuvent pas broyer uniformément les solides à une taille de particule plus fine que celle des billes (médias de broyage) elles-mêmes. Les billes de broyage conventionnelles ont une taille moyenne comprise entre 1 500 mm et 35 000 mm. Un autre problème est la contamination due à l’usure du milieu de broyage. Comme les ultrasonicateurs fournissent des forces de cisaillement extraordinairement élevées, mais précisément contrôlables, la cavitation ultrasonore est la technique privilégiée pour la production fiable de nanodispersions et de nanoémulsions en laboratoire (R&D), en installation pilote et en environnement industriel.

Mise à l’échelle des procédés d’homogénéisation par ultrasons

Lors du passage d’un homogénéisateur à ultrasons de laboratoire à un ultrasonicateur pilote, puis d’un système pilote à un homogénéisateur à ultrasons de production à grande échelle, la mise à l’échelle peut être réalisée de manière entièrement linéaire ! Tous les paramètres de procédé importants, tels que l’amplitude, la pression, la température et la durée de traitement, sont maintenus constants ; seules la surface de la sonde ultrasonore et l’ultrasonicateur, en tant qu’agitateur énergétique de la sonde, sont adaptés à des unités plus grandes et plus puissantes. La scalabilité linéaire des procédés d’homogénéisation par ultrasons permet d’obtenir en production à grande échelle les mêmes résultats de haute qualité qu’en laboratoire et en installation pilote.

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Hielscher Ultrasonics est votre partenaire expérimenté de longue date pour les homogénéisateurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus, fabriqués et testés dans notre siège en Allemagne avant d’être expédiés à nos clients dans le monde entier. Les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher sont des appareils de haute qualité caractérisés par des performances élevées constantes, la fiabilité, la robustesse et la facilité d’utilisation. La sophistication technique de la technologie d’homogénéisation par ultrasons confère aux utilisateurs des équipements Hielscher des avantages concurrentiels qui font d’eux les leaders du marché dans leur secteur. Grâce à sa large gamme de produits, allant des homogénéisateurs de laboratoire et de paillasse aux systèmes pilotes et aux homogénéisateurs à ultrasons pleinement industriels pour la production commerciale, Hielscher dispose du système de mélange par ultrasons idéal pour vos exigences. Les nombreux accessoires permettent une configuration idéale de l’homogénéisateur à ultrasons – adaptée aux besoins individuels.
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Haute efficacité grâce aux homogénéisateurs à ultrasons

Grâce à une efficacité de procédé extraordinaire, à des coûts d’investissement raisonnables, à une très haute efficacité énergétique et à de faibles coûts de main-d’œuvre et d’entretien, les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher surpassent les techniques d’homogénéisation conventionnelles et permettent un RoI (retour sur investissement) rapide. Souvent, un homogénéisateur à ultrasons est amorti en quelques mois.

Ultrasons de haute puissance pour l’homogénéisation industrielle

L’amplitude est le paramètre de procédé le plus important dans les procédés d’homogénéisation par ultrasons. Tous les ultrasonicateurs Hielscher permettent un contrôle précis de l’amplitude. Selon l’objectif du procédé, une amplitude plus faible peut être réglée pour des conditions de traitement plus douces, ou une amplitude élevée est choisie pour des résultats de dispersion plus destructifs. Les sonicateurs industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles.

Faibles besoins d’entretien des homogénéisateurs à ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons ne sont pas seulement faciles à nettoyer, puisque la sonotrode et le réacteur sont les seuls composants qui sont des pièces en contact avec le fluide et qui entrent en contact avec le matériau traité. La sonotrode (également appelée cornet ou sonde ultrasonore) et le réacteur sont fabriqués respectivement en titane et en acier inoxydable et présentent des géométries nettes, sans orifices ni angles morts.
La seule pièce soumise à l’usure est la sonde ultrasonore, qui peut être remplacée sans perturbation significative de l’exploitation. La sonotrode d’un ultrasonicateur de laboratoire se change en env. 10 min, tandis que le changement de la sonotrode d’un homogénéisateur à ultrasons industriel peut prendre env. 30–45 min.

Contactez-nous dès maintenant ! Notre équipe expérimentée se fera un plaisir de vous fournir des informations techniques et des recommandations relatives à votre procédé !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :