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, un cisaillement rotatif, des buses ou des ultrasons de forte puissance sont utilisés pour créer les forces nécessaires à la désintégration et au fractionnement des particules solides et des gouttelettes de liquide. Apprenez-en davantage sur les dispositifs d'homogénéisation et leurs applications dans la recherche et la production !

Qu'est-ce qu'un homogénéisateur ?

Un homogénéisateur est une classe de dispositifs de mélange, qui est conçue pour briser les particules, à la fois solides et liquides, en un mélange uniforme. Les homogénéisateurs sont disponibles en tant qu'équipement de laboratoire, de table et industriel utilisé pour diverses applications dans la recherche et l'industrie. Les applications typiques des homogénéisateurs comprennent le mélange et la désintégration de divers matériaux, y compris les particules, les pigments, les produits chimiques, les plantes, les aliments, les cellules, les tissus, entre autres.

Aperçu des différents types d'homogénéisateurs

Différents types d'homogénéisateurs sont disponibles dans le commerce pour une utilisation en laboratoire ou pour une production industrielle à grande échelle. Cependant, les mélangeurs rotor/stator (colloïdes), les homogénéisateurs à haute pression et les homogénéisateurs à ultrasons sont les modèles les plus utilisés.
Mélangeurs à turbine ou à pales ont une lame rotative qui tourne à grande vitesse au fond du récipient de mélange, ce qui permet de combiner divers matériaux en un mélange homogène.
Comme le nom de la mélangeur rotor/stator Cela implique déjà qu'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 déplace le matériau solide-liquide entre le stator et le rotor, où les solides sont réduits en particules de plus petite taille.
Le principe de fonctionnement du homogénéisateur haute pression (HPH) est basé sur l'utilisation d'une pompe à haute pression et d'une vanne (buse, orifice), ce qui rend l'équipement grand, lourd et coûteux. La boue traitée est forcée avec une grande vitesse d'écoulement à travers un petit orifice, ce qui réduit la taille des particules car celles-ci doivent avoir une certaine taille pour passer à travers la vanne. En particulier lorsqu'ils traitent des solides, les HPH sont enclins à se boucher.
homogénéisateurs ultrasoniques utilisent les forces de cisaillement élevées 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 ultrasoniques de haute intensité et la cavitation pour créer des forces de cisaillement très intenses et peut donc être appelé un mélangeur à haut cisaillement super-intense. Le secret de ces forces de cisaillement très intenses est la cavitation acoustique, générée par des ondes ultrasonores de grande puissance. Un homogénéisateur à ultrasons comporte un générateur, qui est l'unité d'alimentation et de commande, et un transducteur. Le transducteur contient des céramiques piézo-électriques. Ces céramiques piézo-électriques convertissent l'énergie électrique en oscillations, car les cristaux piézo-électriques changent de taille et de forme lorsqu'une tension est appliquée. Lorsque la fréquence de l'oscillateur électronique est égale à la fréquence naturelle du quartz piézoélectrique, il y a résonance. Dans des conditions de résonance, le quartz produit des ondes ultrasonores longitudinales de grande amplitude.
Les ondes ultrasonores générées sont ensuite couplées par la sonde à ultrasons (sonotrode / corne) dans le milieu de traitement. L'amplitude au niveau de la sonde à ultrasons détermine l'intensité des ondes ultrasonores, qui sont transmises dans le liquide ou la boue. Les ondes ultrasonores génèrent des cycles alternés de haute et de basse pression dans les milieux liquides. 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 destructive. Ce phénomène est appelé cavitation. L'implosion des bulles de cavitation peut également générer des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s, ce qui entraîne de puissantes forces de cisaillement. Ces forces de cisaillement brisent les particules, provoquent des collisions interparticulaires et perturbent mécaniquement les gouttelettes et les cellules, favorisant en même temps 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 qu'on appelle la sonochimie).

La cavitation acoustique (générée par des ultrasons de forte puissance) crée localement des conditions 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.

homogénéisateurs ultrasoniques – avantages

Les homogénéisateurs à ultrasons sont supérieurs lorsqu'il s'agit de produire des suspensions et des solutions solide-liquide (appelées boues) et liquide-liquide. Étant donné que les ultrasons utilisent le principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonique, le matériau doit être humide ou en phase humide, car la cavitation ne se produit que dans un liquide. Cela signifie qu'un ultrasoniseur ne serait pas très efficace pour mélanger une poudre sèche, mais dès que la poudre est mouillée, la sonication est la méthode la plus efficace pour le mélange. Les homogénéisateurs à ultrasons sont bien connus pour mélanger, assembler et disperser de manière fiable même les pâtes et les matériaux très visqueux. Les forces extraordinairement intenses provoquées par l'implosion des bulles de cavitation créent non seulement des forces de cisaillement très puissantes mais aussi des températures et des pressions élevées localement confinées ainsi que des différentiels respectifs. Cette combinaison de forces physiques réduit les particules à des tailles beaucoup plus petites qu'avec un homogénéisateur conventionnel. Par conséquent, les homogénéisateurs à ultrasons sont l'équipement préféré pour la production fiable d'émulsions et de dispersions de taille nanométrique.

Applications des homogénéisateurs à ultrasons

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

ultrasons émulsification

L'émulsification est le processus qui consiste à mélanger deux ou plusieurs liquides non miscibles afin de préparer un mélange stable ou semi-stable. En général, ces deux liquides sont constitués 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 dans la fonctionnalité et la stabilité de l'émulsion. Comme les ultrasons créent des forces sonomécaniques qui brisent les gouttelettes et les réduisent à des gouttelettes minuscules, la sonication est une méthode très populaire pour la production d'émulsions microniques et nanométriques. Les homogénéisateurs à ultrasons sont un outil fiable pour la production d'émulsions H/E et E/H, d'émulsions inverses, d'émulsions doubles (H/E/H, E/H/E), de mini-émulsions ainsi que d'émulsions de Pickering. Grâce à cette flexibilité et à leur 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 l'industrie chimique, alimentaire, pharmaceutique et des carburants pour produire des émulsions stables à long terme.
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dispersion à ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsque des agglomérats de particules, des agrégats et même des particules primaires doivent être réduits de manière fiable. L'avantage des homogénéisateurs à ultrasons est leur capacité à réduire les particules à des tailles plus petites et plus uniformes, qu'il s'agisse de micron ou de nanoparticules. Les forces de cisaillement par cavitation et les courants liquides accélèrent les particules de sorte qu'elles entrent en collision les unes avec les autres. Ce phénomène est connu sous le nom de collision interparticulaire. Les particules elles-mêmes servent de support de broyage, ce qui évite la contamination par les billes de broyage et le processus de séparation qui s'ensuit, nécessaire lors de l'utilisation de broyeurs à billes classiques. Étant donné que les particules s'entrechoquent par collision interparticulaire à des vitesses très élevées, jusqu'à 280 m/sec, des forces extraordinairement élevées s'exercent sur les particules, qui se fragmentent donc en fractions minuscules. Le frottement et l'érosion donnent à ces fragments de particules une surface polie et une forme uniforme. La combinaison des forces de cisaillement et de la collision interparticulaire confère à l'homogénéisation et à la dispersion par ultrasons l'avantage de produire des suspensions et des dispersions colloïdales hautement homogènes !
La séquence d'images ci-dessous illustre les forces cavitationnelles des ultrasons sur les paillettes de graphite.

Séquence d'images à grande vitesse (de a à f) illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'un flocon de graphite dans l'eau, à l'aide de l'outil UP200S, un ultrasoniseur de 200W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent le lieu de la scission (exfoliation) avec les bulles de cavitation pénétrant dans la scission.
Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersion et homogénéisation des nanomatériaux

Pour les émulsions comme pour les dispersions, la préparation de mélanges de taille nanométrique est une tâche difficile. La plupart des techniques d'homogénéisation et de mélange conventionnelles, telles que les mélangeurs à pales, les broyeurs à billes, les homogénéisateurs à haute pression et autres mélangeurs, sont capables de produire des particules de la taille du micron, mais elles ne peuvent pas briser 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 un cisaillement suffisant pour briser les particules jusqu'à la taille nanométrique. Les broyeurs à billes, un autre type d'homogénéisateur, ne peuvent pas broyer uniformément les solides jusqu'à une taille de particule plus fine que les billes (support de broyage) elles-mêmes. Les billes de broyage conventionnelles ont une taille moyenne comprise entre 1 500 mm – 35 000 mm. Un autre problème est la contamination par l'usure du milieu de broyage. Étant donné que les ultrasons fournissent des forces de cisaillement extraordinairement élevées, mais contrôlables avec précision, la cavitation ultrasonique est la technique privilégiée pour la production fiable de nano-dispersion et de nano-émulsions en laboratoire (R&D), des installations pilotes et industrielles.

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

Lors de la mise à l'échelle d'un homogénéisateur à ultrasons de laboratoire à un ultrasoniseur pilote, et d'un système pilote à un homogénéisateur à ultrasons de production à grande échelle, la mise à l'échelle peut être appliquée de manière complètement linéaire ! Tous les paramètres importants du processus, tels que l'amplitude, la pression, la température et le temps de traitement, sont maintenus constants. Seule la surface de la sonde à ultrasons et l'agitateur ultrasonique de la sonde sont mis à l'échelle vers des unités plus grandes et plus puissantes. L'extensibilité linéaire des processus d'homogénéisation par ultrasons permet d'obtenir en grande production les mêmes résultats de haute qualité qu'en laboratoire ou en pilote.

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Hielscher Ultrasonics est votre partenaire expérimenté de longue date pour les homogénéisateurs à ultrasons. Tous les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher sont conçus, fabriqués et testés dans notre siège social en Allemagne avant d'être expédiés à nos clients dans le monde entier. Les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher sont des appareils de haute qualité qui se caractérisent par leur performance constante, leur fiabilité, leur robustesse et leur convivialité. La sophistication technique de la technologie d'homogénéisation par ultrasons donne aux utilisateurs des équipements Hielscher des avantages compétitifs, qui font d'eux les leaders du marché dans leur secteur. Avec une large gamme de produits allant des homogénéisateurs de laboratoire et de paillasse, aux systèmes pilotes et aux homogénéisateurs ultrasoniques industriels pour les productions commerciales, Hielscher a le système de mélange ultrasonique idéal pour vos besoins. Les accessoires du collecteur permettent la configuration idéale de l'homogénéisateur à ultrasons – en fonction des besoins individuels.
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Haut rendement avec les homogénéisateurs à ultrasons

Grâce à l'extraordinaire efficacité du processus, aux coûts d'investissement raisonnables, à la très haute efficacité énergétique et aux faibles coûts de main-d'œuvre et de maintenance, les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher surpassent les techniques d'homogénéisation conventionnelles et permettent d'obtenir un 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 le plus important dans les processus d'homogénéisation par ultrasons. Tous les ultrasons Hielscher permettent un contrôle précis de l'amplitude. Selon l'objectif du processus, 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. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être exploitées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

Faible besoin de maintenance pour les 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 humides et entrent en contact avec le matériau traité. La sonotrode (également connue sous le nom de cornet ou de sonde à ultrasons) et le réacteur sont respectivement fabriqués en titane et en acier inoxydable et présentent des géométries propres sans orifices ni angles morts.
La seule partie sujette à l'usure est la sonde ultrasonique, qui peut être remplacée sans interruption significative du fonctionnement. La sonotrode d'un ultrasoniseur de laboratoire est remplacée en 10 minutes environ, tandis que le changement de la sonotrode d'un homogénéisateur à ultrasons industriel peut prendre 30 à 45 minutes environ.

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