homogénéisateurs – Principe de fonctionnement, utilisation et mise à l'échelle

Les homogénéisateurs sont un type de mélangeurs qui appliquent des forces mécaniques pour mélanger, émulsifier, disperser et dissoudre les systèmes liquide-liquide et solide-liquide. Selon le modèle d'homogénéisateur, un cisaillement rotatif, des buses ou des ultrasons puissants sont utilisés pour créer les forces nécessaires à la désintégration et à l'éclatement des particules solides et des gouttelettes liquides. En savoir plus sur les homogénéisateurs et leurs applications dans la recherche et la production !

Qu'est-ce qu'un homogénéisateur ?

Un homogénéisateur est une classe d'appareils de mélange conçus pour briser les particules, solides ou liquides, en un mélange uniforme. Les homogénéisateurs sont disponibles sous forme d'équipements de laboratoire, de table et d'équipements industriels utilisés 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.

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Aperçu des différents types d'homogénéisateurs

Différents types d'homogénéisateurs sont disponibles dans le commerce pour une utilisation en paillasse et en production industrielle à grande échelle. Toutefois, les modèles les plus utilisés sont les mélangeurs rotor/stator (colloïdes), les homogénéisateurs à haute pression et les homogénéisateurs à ultrasons.
Les mélangeurs à turbine ou à pales sont dotés d'une pale qui tourne à grande vitesse au fond de la cuve de mélange, ce qui permet de combiner différents matériaux en un mélange homogène.
Comme son nom l'indique, le mélangeur rotor/stator est composé d'un rotor et d'un stator. Le rotor est un arbre métallique qui tourne à grande vitesse dans le stator. Le stator est la partie métallique qui reste immobile. La rotation du rotor crée un effet de succion qui déplace la matière solide-liquide entre le stator et le rotor, où les solides sont réduits en particules de plus petite taille.
Le principe de fonctionnement de l'homogénéisateur à haute pression (HPH) repose sur l'utilisation d'une pompe à haute pression et d'une vanne (buse, orifice), ce qui rend l'équipement volumineux, lourd et coûteux. La boue traitée est forcée à une vitesse d'écoulement élevée à travers un petit orifice, ce qui réduit la taille des particules, qui doivent avoir une certaine taille pour passer à travers la valve. Les HPH ont tendance à se boucher, en particulier lorsqu'ils traitent des solides.
Les homogénéisateurs à ultrasons 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 cisaillement élevé super-intense. Le secret des forces de cisaillement super intenses est la cavitation acoustique, qui est générée par des ondes ultrasoniques de grande puissance. Un homogénéisateur à ultrasons est composé d'un générateur, qui est l'unité d'alimentation et de contrôle, et d'un transducteur. Le transducteur contient des céramiques piézo-électriques. Ces céramiques piézo-électriques convertissent l'énergie électrique en oscillation, 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 à la sonde ultrasonique (sonotrode / cornet) dans le milieu de traitement. L'amplitude au niveau de la sonde ultrasonique détermine l'intensité des ondes ultrasoniques, qui sont transmises dans le liquide ou la boue. Les ondes ultrasoniques génèrent des cycles alternatifs 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 destructrice. Ce phénomène est appelé cavitation. L'implosion des bulles de cavitation peut également générer des jets de liquide à une vitesse élevée pouvant atteindre 280 m/s, ce qui entraîne de puissantes forces de cisaillement. Les 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 que l'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 bouillies) et liquide-liquide. Comme les ultrasons utilisent le principe de fonctionnement de la cavitation ultrasonique, le matériau doit être humide ou dans une phase humide, car la cavitation ne se produit que dans le liquide. Cela signifie qu'un ultrasonateur 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 bien connus pour mélanger, mixer 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 permet de réduire la taille des particules à un niveau bien inférieur à celui d'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 en laboratoire et dans les installations industrielles pour homogénéiser les suspensions solide-liquide et liquide-liquide, réduire la taille des particules, perturber et extraire le matériel biologique, intensifier les réactions chimiques et dissoudre les composés solubles.

émulsification par ultrasons

L'émulsification est le processus qui consiste à mélanger deux ou plusieurs liquides non miscibles afin d'obtenir 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, un émulsifiant (surfactant / co-surfactant) est ajouté. La taille des gouttelettes d'une émulsion joue un rôle crucial en ce qui concerne la fonctionnalité et la stabilité d'une émulsion. Étant donné que les ultrasons de puissance créent des forces sonomécaniques qui brisent les gouttelettes et les réduisent en 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 inversées, d'émulsions doubles (H/E/H, E/H/H), de mini-émulsions et d'émulsions de Pickering. Grâce à cette flexibilité et à leur capacité d'émulsification fiable, les homogénéisateurs à ultrasons (parfois également 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 ultrasonique

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsqu'il s'agit de réduire de manière fiable la taille des agglomérats de particules, des agrégats et même des particules primaires. L'avantage des homogénéisateurs à ultrasons réside dans leur capacité à broyer les particules pour les réduire à des tailles plus petites et plus uniformes, qu'il s'agisse de micron ou de nanoparticules. Les forces de cisaillement cavitationnelles et les courants liquides 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 font office de milieu 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 conventionnels. Étant donné que les particules s'entrechoquent à des vitesses très élevées (jusqu'à 280 m/s), des forces extraordinairement élevées s'exercent sur les particules, qui se brisent donc en fractions minuscules. La friction 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 ultrasoniques l'avantage de produire des suspensions et des dispersions colloïdales hautement homogènes !
La séquence d'images ci-dessous illustre les forces de cavitation des ultrasons sur les flocons de graphite.

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'un flocon de graphite dans l'eau à l'aide de l'instrument de mesure de l'humidité de l'eau. UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la scission (exfoliation) avec des 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 conventionnelles d'homogénéisation et de mélange, telles que les mélangeurs à pales, les broyeurs à perles, 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 du nanomètre. Cela est principalement dû à une intensité insuffisante. Par exemple, les mélangeurs à pales n'offrent 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 celle des 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. Comme les appareils à ultrasons fournissent des forces de cisaillement extraordinairement élevées, mais contrôlables avec précision, la cavitation par ultrasons est la technique préférée pour la production fiable de nano-dispersions et de nano-émulsions en laboratoire (R&D), des installations pilotes et industrielles.

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

Lorsque l'on passe 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, l'augmentation d'échelle peut être appliquée de manière totalement linéaire ! Tous les paramètres importants du processus, tels que l'amplitude, la pression, la température et le temps de traitement, restent constants. Seule la surface de la sonde ultrasonique et l'agitateur énergétique de la sonde sont mis à l'échelle pour obtenir des unités plus grandes et plus puissantes. L'extensibilité linéaire des procédés d'homogénéisation par ultrasons permet d'obtenir en grande production les mêmes résultats de haute qualité qu'en laboratoire et dans les installations pilotes.

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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 leurs performances constantes, leur fiabilité, leur robustesse et leur convivialité. La sophistication technique de la technologie d'homogénéisation par ultrasons confère aux utilisateurs des équipements Hielscher des avantages concurrentiels qui en font les leaders du marché dans leur secteur d'activité. 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 répondre à vos besoins. Les accessoires du collecteur permettent une installation idéale de l'homogénéisateur à ultrasons – répondre aux besoins individuels.
Faites-nous part de vos exigences et spécifications en matière de processus – nous nous ferons un plaisir de vous recommander l'homogénéisateur à ultrasons le plus approprié et le plus efficace pour votre application !

Utilisation d'homogénéisateurs à ultrasons à haut rendement

Grâce à l'efficacité extraordinaire du processus, aux coûts d'investissement raisonnables, à l'efficacité énergétique très élevée et aux faibles coûts de main-d'œuvre et de maintenance, les homogénéisateurs à ultrasons Hielscher surpassent les techniques d'homogénéisation conventionnelles et atteignent 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 appareils à ultrasons Hielscher permettent un contrôle précis de l'amplitude. En fonction de l'objectif du processus, une amplitude plus faible peut être réglée pour des conditions de traitement plus douces, tandis qu'une amplitude plus élevée est choisie pour des résultats de dispersion plus destructeurs. Les sonicateurs industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

Faibles besoins de maintenance pour les homogénéisateurs à ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons ne sont pas seulement faciles à nettoyer, car la sonotrode et le réacteur sont les seuls composants qui sont des pièces humides et qui entrent en contact avec le produit traité. La sonotrode (également connue sous le nom de cornet ou de sonde à ultrasons) et le réacteur sont fabriqués respectivement en titane et en acier inoxydable et présentent des géométries propres sans orifices ni angles morts.
La seule pièce sujette à l'usure est la sonde ultrasonique, qui peut être remplacée sans interruption notable de l'opération. La sonotrode d'un appareil à ultrasons de laboratoire est remplacée en 10 minutes environ, tandis que le remplacement de la sonotrode d'un homogénéisateur industriel à ultrasons peut prendre de 30 à 45 minutes.

Prenez contact avec nous dès maintenant ! Notre équipe expérimentée se fera un plaisir de vous fournir des informations techniques et des recommandations sur les procédés.

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