הומוגנייזרים – עקרון העבודה, שימוש והרחבה

הומוגנייזרים הם סוג של מערבלים, המפעילים כוחות מכניים כדי לערבב, לתחלוב, לפזר ולהמיס מערכות נוזליות-נוזליות ומוצקות-נוזליות. בהתאם למודל ההומוגנייזר גזירה סיבובית, חרירים או אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משמשים ליצירת הכוחות הדרושים כדי לפרק ולפרק חלקיקים מוצקים, כמו גם טיפות נוזליות. למידע נוסף על מכשירי הומוגנייזר ויישומיהם במחקר וייצור!

מהו הומוגנייזר?

הומוגנייזר הוא סוג של התקני ערבוב, אשר נועד לשבור חלקיקים, מוצקים ונוזליים, לתערובת אחידה. הומוגנייזרים זמינים כמעבדה, ספסל עליון וציוד תעשייתי המשמש ליישומים שונים במחקר ובתעשייה. יישום אופייני של הומוגנייזר כולל ערבוב והתפוררות של חומרים שונים, כולל חלקיקים, פיגמנטים, כימיקלים, צמחים, מזון, תאים, רקמות, בין היתר.

אנא צרו איתנו קשר כדי ללמוד עוד על הומוגנייזרים, סוניקציה וכיצד תוכלו להשתמש בסוניקטורים שלנו לתהליך שלכם!

סקירה כללית על סוגי הומוגנייזר שונים

סוגים שונים homogenizer זמינים מסחרית לשימוש בייצור בקנה מידה גדול ספסל העליון. עם זאת, מערבלי רוטור/סטטור (קולואיד), הומוגנייזרים בלחץ גבוה והומוגנייזרים על-קוליים הם הדגמים הנפוצים ביותר.
למערבלי אימפלר או להב יש להב מסתובב, המסתובב במהירות גבוהה בתחתית כלי הערבוב ובכך משלב חומרים שונים לתערובת הומוגנית.
כפי ששמו של מערבל הרוטור/סטטור כבר מרמז, למערבל רוטור/סטטור יש רוטור ורכיב סטטור. הרוטור הוא פיר מתכת שמסתובב במהירויות גבוהות בתוך הסטטור. הסטטור הוא חלק המתכת שנשאר נייח. סיבוב הרוטור יוצר אפקט יניקה המעביר את החומר המוצק-נוזלי בין הסטטור לרוטור, שם המוצקים מצטמצמים לגודל חלקיקים קטן יותר.
עקרון העבודה של הומוגנייזר בלחץ גבוה (HPH) מבוסס על שימוש במשאבה בלחץ גבוה ושסתום (זרבובית, פתח), מה שהופך את הציוד לגדול, כבד ויקר. הבוצה המעובדת מאולצת במהירות זרימה גבוהה דרך פתח קטן, אשר מקטין את גודל החלקיקים מכיוון שחלקיקים דורשים גודל קטן מסוים כדי לעבור דרך השסתום. במיוחד בעת עיבוד מוצקים, HPHs נוטים לסתימה.
הומוגנייזרים על-קוליים משתמשים בכוחות הגזירה הגבוהים הנוצרים על ידי קוויטציה אקוסטית, מה שמקנה להם יתרונות שונים על פני טכניקות הומוגניות אחרות. עקרון העבודה והיתרונות של הומוגניזציה קולית מוצגים להלן.

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ככוח הומוגני

הומוגנייזר קולי משתמש בתנודות קוליות בעוצמה גבוהה וקוויטציה כדי ליצור כוחות גזירה אינטנסיביים מאוד ולכן יכול להיקרא מערבל גזירה גבוהה סופר אינטנסיבי. הסוד מאחורי כוחות הגזירה הגבוהים הסופר-אינטנסיביים הוא קוויטציה אקוסטית, הנוצרת על ידי גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. הומוגנייזר קולי יש גנרטור, שהוא יחידת אספקת החשמל והבקרה, ומתמר. המתמר מכיל קרמיקה פיאזו-חשמלית. קרמיקה פיאזו-חשמלית זו ממירה את האנרגיה החשמלית לתנודה, שכן הגבישים הפיזואלקטריים משנים את גודלם וצורתם בעת הפעלת מתח. כאשר התדר של המתנד האלקטרוני שווה לתדר הטבעי של הקוורץ הפיזואלקטרי, מתרחשת תהודה. בתנאי תהודה, הקוורץ מייצר גלים על-קוליים אורכיים בעלי משרעת גדולה.
גלי האולטרסאונד הנוצרים מצומדים באמצעות הבדיקה האולטרסונית (סונוטרודה / קרן) למדיום התהליך. המשרעת בבדיקה העל-קולית קובעת את עוצמת גלי האולטרסאונד, המועברים לנוזל או לתרחיץ. הגלים העל-קוליים יוצרים לסירוגין מחזורי לחץ גבוה ולחץ נמוך במדיה נוזלית. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים על-קוליים בעוצמה גבוהה מייצרים בועות ואקום קטנות בנוזל. במהלך מחזור הלחץ הגבוה, בועות ואקום קטנות קורסות באופן הרסני. תופעה זו נקראת קוויטציה. קריסה של בועות קוויטציה עשויה גם ליצור סילונים נוזליים במהירות גבוהה של עד 280 מטר לשנייה, וכתוצאה מכך כוחות גזירה חזקים. כוחות הגזירה שוברים את החלקיקים, גורמים להתנגשות בין חלקיקים ומשבשים טיפות ותאים באופן מכני, ומקדמים בו זמנית העברת מסה יעילה ביותר. כוחות קוויטציוניים אלה מייצרים פיזור, תחליבים ותרחיפים אחידים והומוגניים וידועים גם כמקדמים תגובות כימיות (מה שמכונה סונוכימיה).

קוויטציה אקוסטית (הנוצרת על ידי אולטרסאונד בהספק גבוה) יוצרת תנאים קיצוניים מקומיים, מה שנקרא השפעות סונומכניות וסונוכימיות. בשל השפעות אלה, סוניקציה מפחיתה חלקיקים מוצקים ונוזליים וממזגת אותם לנוסחה הומוגנית.

הומוגנייזרים על-קוליים – יתרונות

הומוגנייזרים קוליים הם מעולים, כשמדובר בייצור של נוזל מוצק (מה שנקרא slurries) ונוזל נוזלי מתלים ופתרונות. מאז ultrasonicators להשתמש בעיקרון העבודה של cavitation קולי, החומר צריך להיות רטוב או בשלב רטוב, שכן cavitation מתרחשת רק בנוזל. משמעות הדבר היא שאולטר-סוניקטור לא יהיה יעיל במיוחד בערבוב אבקה יבשה, אך ברגע שהאבקה נרטבת, סוניקציה היא השיטה היעילה ביותר לערבוב. הומוגנייזרים על-קוליים ידועים בכך שהם מערבבים, מערבבים ומפזרים באופן אמין אפילו משחות וחומרים צמיגים מאוד. הכוחות העזים במיוחד הנגרמים על ידי קריסת בועות קוויטציה יוצרים לא רק כוחות גזירה גבוהים חזקים מאוד, אלא גם טמפרטורות ולחצים גבוהים מוגבלים באופן מקומי, כמו גם דיפרנציאלים בהתאמה. שילוב זה של כוחות פיזיקליים משבש חלקיקים לגדלים קטנים בהרבה מאשר הומוגנייזר קונבנציונלי. לכן, homogenizers קולי הם הציוד המועדף לייצור אמין של תחליבים בגודל ננומטרי ופיזור.

יישומים של הומוגנייזרים קוליים

הומוגנייזרים על-קוליים נמצאים בשימוש נרחב במתקני מעבדה ותעשייה כדי ליצור הומוגניזציה של תרחיפים מוצקים-נוזליים ונוזליים-נוזליים, להפחית את גודל החלקיקים, לשבש ולחלץ חומר ביולוגי, להגביר תגובות כימיות ולהמיס תרכובות מסיסות.

תחליב קולי

תחליב הוא תהליך של ערבוב שני נוזלים או יותר בלתי ניתנים לערבוב יחד על מנת להכין תערובת יציבה או יציבה למחצה. באופן כללי, שני נוזלים אלה מורכבים משלב שמן ושלב מימי (מים). כדי לייצב את התערובת של השלבים הנוזליים השונים, מתווספים מתחלב (פעילי שטח / co-surfactant). גודל הטיפה של תחליב ממלא תפקיד מכריע בכל הנוגע לפונקציונליות וליציבות של תחליב. מכיוון שאולטרסאונד כוח יוצר כוחות סונומכניים, המפרקים טיפות ומצמצמים אותן לטיפות זעירות, סוניקציה היא שיטה פופולרית מאוד לייצור מיקרון וננו-תחליב. הומוגנייזרים על-קוליים הם כלי אמין לייצור תחליבים O/W ו-W/O, תחליבים הופכיים, תחליבים כפולים (O/W/O, W/O/W), מיני תחליבים וכן תחליבים פיקרינג. בהתבסס על גמישות זו ויכולת התחליב האמינה, הומוגנייזרים על-קוליים (המכונים לעתים גם מתחלבים על-קוליים כאשר משתמשים בהם לתחלוב) משמשים למשל בתעשיית הכימיקלים, המזון, התרופות והדלק לייצור תחליבים יציבים לטווח ארוך.
לחץ על הקישורים הבאים כדי ללמוד עוד על ננו-אמולסיות ו אמולסיות פיקרינג!

פיזור קולי

הומוגנייזרים קוליים יעילים מאוד כאשר חלקיקים מצטברים, אגרגטים ואפילו חלקיקים ראשוניים חייבים להיות מופחתים באופן אמין בגודל. היתרון של הומוגנייזרים על-קוליים הוא היכולת שלהם לטחון חלקיקים לגדלים קטנים ואחידים יותר של חלקיקים, בין אם מיקרון או ננו-חלקיקים ממוקדים כתוצאה מהתהליך. כוחות גזירה קוויטציוניים וזרמים נוזליים מאיצים חלקיקים כך שהם מתנגשים זה בזה. זה ידוע בשם התנגשות בין חלקיקים. החלקיקים עצמם פועלים כמדיום כרסום, אשר מונע זיהום על ידי טחינת חרוזים ותהליך ההפרדה שלאחר מכן, אשר הכרחי כאשר טחנות חרוזים קונבנציונאלי משמשים. מכיוון שהחלקיקים מתנגשים על ידי התנגשות בין חלקיקים במהירויות גבוהות מאוד של עד 280 מטר לשנייה, כוחות גבוהים במיוחד מופעלים על החלקיקים, ולכן מתנפצים לשברים זעירים. החיכוך והשחיקה מעניקים לשברי חלקיקים אלה משטח מלוטש וצורה אחידה. השילוב של כוחות גזירה והתנגשות בין חלקיקים מעניק להומוגניזציה ופיזור על-קוליים את היתרון המספק מתלים ופיזורים קולואידים הומוגניים ביותר!
רצף התמונות למטה מתאר את הכוחות הקוויטציוניים של אולטרסאונד על פתיתי גרפיט.

רצף מהיר (מ-a עד f) של מסגרות הממחישות קילוף סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, אולטרסאונד של 200 ואט עם סונוטרודה 3 מ"מ. חצים מראים את מקום הפיצול (פילינג) עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

פיזור והומוגניזציה של ננו-חומרים

עבור שניהם, תחליבים ופיזור, הכנת תערובות בגודל ננומטרי היא משימה מאתגרת. רוב טכניקות ההומוגניזציה והערבוב הקונבנציונליות כגון מערבלי להבים, טחנות חרוזים, הומוגנייזרים בלחץ גבוה ומיקסרים אחרים מסוגלות לייצר חלקיקים בגודל מיקרון, אך הן אינן יכולות לפרק טיפות ומוצקים באופן אמין לגודל ננומטרי. זה בעיקר בגלל אינטנסיביות לא מספקת. לדוגמה, מערבלי להבים אינם מספקים מספיק גזירה לשבירת חלקיקים לגודל ננומטרי. טחנות חרוזים, סוג אחר של הומוגנייזר, אינן יכולות לטחון מוצקים באופן אחיד לגודל חלקיקים עדין יותר מאשר החרוזים (אמצעי הטחינה) עצמם. חרוזי השחזה קונבנציונליים הם בגודל ממוצע בין 1,500 מ"מ – 35,000 מ"מ. בעיה נוספת היא זיהום על ידי בלאי של אמצעי הטחינה. מכיוון שאולטרה-סאונד מספק כוחות גזירה גבוהים במיוחד, אך ניתנים לשליטה מדויקת, קוויטציית אולטרסאונד היא הטכניקה המועדפת לייצור אמין של ננו-פיזור וננו-תחליבים במעבדה (R&ד), מערכי פיילוט ותעשייה.

סקייל-אפ של תהליכים הומוגניים על-קוליים

כאשר מתרחבים מהומוגנייזר קולי במעבדה לאולטרסאונד טייס, וממערכת פיילוט להומוגנייזר אולטראסוני בקנה מידה מלא, ניתן ליישם את הסקייל-אפ ליניארי לחלוטין! כל פרמטרי התהליך החשובים כגון משרעת, לחץ, טמפרטורה וזמן עיבוד נשמרים קבועים, רק שטח הפנים של הגשושית העל-קולית והעל-קולי כתסיס אנרגטי של הגשושית מוגדלים ליחידות גדולות וחזקות יותר. המדרגיות הליניארית של תהליכי הומוגניזציה קוליים מאפשרת להשיג בייצור גדול את אותן תוצאות באיכות גבוהה כמו במעבדה ובהגדרות פיילוט.

מצא את ההומוגנייזר האולטרסוני המתאים ביותר לתהליך שלך!

Hielscher Ultrasonics הוא השותף המנוסה שלך זמן רב עבור homogenizers קולי. כל האולטרסוניקטורים של Hielscher מתוכננים, מיוצרים ונבדקים במטה שלנו בגרמניה לפני שאנו שולחים אותם ללקוחותינו ברחבי העולם. Hielscher קולי homogenizers הם מכשירים באיכות גבוהה charcterized על ידי ביצועים גבוהים מתמיד, אמינות, חוסן, וידידותיות למשתמש. תחכום טכני של טכנולוגיית הומוגניזציה קולי לתת למשתמשים של ציוד Hielscher יתרונות תחרותיים, אשר הופכים אותם למנהיג השוק בתעשייה שלהם. עם טווח המוצרים הרחב מ homogenizers מעבדה ספסל, מערכות פיילוט ו homogenizers קולי תעשייתי מלא עבור הפקות מסחריות, Hielscher יש את מערכת ערבוב קולי אידיאלי עבור הדרישות שלך. אביזרי הסעפת מאפשרים את ההתקנה האידיאלית של הומוגנייזר קולי – התאמה לצרכים אישיים.
ספר לנו על דרישות התהליך והמפרטים שלך – נשמח להמליץ לך על ההומוגנייזר האולטרסוני המתאים והיעיל ביותר ליישום שלך!

יעילות גבוהה באמצעות הומוגנייזרים קוליים

בשל יעילות תהליכים יוצאת דופן, עלויות השקעה סבירות, יעילות אנרגטית גבוהה מאוד ועלויות עבודה ותחזוקה נמוכות, ההומוגנייזרים האולטרסוניים של Hielscher מתחרים בטכניקות הומוגניות קונבנציונליות ומשיגים החזר ROI (החזר השקעה) מהיר. לעתים קרובות, homogenizer קולי הוא amortized בתוך כמה חודשים.

אולטרסאונד בהספק גבוה להומוגניזציה תעשייתית

המשרעת היא פרמטר התהליך החשוב ביותר בתהליכי הומוגניזציה מונחי אולטרסאונד. כל האולטרסוניקטורים של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת על המשרעת. בהתאם ליעד התהליך, ניתן להגדיר משרעת נמוכה יותר לתנאי עיבוד מתונים יותר או לבחור משרעת גבוהה לתוצאות פיזור הרסניות יותר. Hielscher סוניקטורים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.

דרישות תחזוקה נמוכות עבור הומוגנייזרים קוליים

הומוגנייזרים קוליים הם לא רק קל לנקות מאז sonotrode ו reactor הם הרכיבים היחידים שהם חלקים רטובים לבוא במגע עם החומר המעובד. סונוטרודה (הידועה גם בשם קרן קולית או גשוש) וכור עשויים מטיטניום ונירוסטה, בהתאמה ויש להם גיאומטריות נקיות ללא פתחים או פינות מתות.
החלק היחיד אשר נתון לבלאי הוא בדיקה קולית, אשר ניתן להחליף ללא הפרעה משמעותית לפעולה. הסונוטרוד של אולטרסאונד מעבדה משתנה תוך כ -10 דקות, בעוד שהחלפת סונוטרודה של הומוגנייזר קולי תעשייתי עשויה להימשך כ 30-45 דקות.

צרו קשר עכשיו! הצוות המנוסה שלנו ישמח לספק מידע טכני והמלצות הקשורות לתהליכים!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: