הומוגנייזרים – עקרון הפעולה, שימוש והגדלת קנה מידה
הומוגנייזרים הם סוג של מערבלים, המפעילים כוחות מכניים לערבוב, לתחלוב, לפיזור ולהמסה של מערכות נוזל–נוזל ומוצק–נוזל. בהתאם לדגם ההומוגנייזר, משתמשים בגזירה סיבובית, בנחירים או באולטרסאונד בהספק גבוה כדי ליצור את הכוחות הנדרשים לפירוק ולשבירה של חלקיקים מוצקים ושל טיפות נוזל. למדו עוד על מכשירי הומוגניזציה ועל יישומיהם במחקר ובייצור!
מהו הומוגנייזר?
הומוגנייזר הוא סוג של מכשירי ערבוב, המיועד לפרק חלקיקים, מוצקים ונוזליים כאחד, ליצירת תערובת אחידה. הומוגנייזרים זמינים כציוד מעבדתי, שולחני ותעשייתי, המשמש למגוון יישומים במחקר ובתעשייה. יישומים טיפוסיים של הומוגנייזרים כוללים ערבוב ופירוק של חומרים שונים, ובהם חלקיקים, פיגמנטים, כימיקלים, צמחים, מזון, תאים ורקמות, בין היתר.
צרו איתנו קשר כדי ללמוד עוד על הומוגנייזרים, על סוניקציה ועל האופן שבו תוכלו להשתמש במכשירי הסוניקציה שלנו בתהליך שלכם!
MultiSonoReactor MSR-4 הוא הומוגנייזר תעשייתי לעיבוד בקו, המצויד במכשירי סוניקציה בהספק של 16,000 ואט ליישומים תובעניים כגון ננו-דיספרסיות וננו-אמולסיות.
סקירה של סוגי הומוגנייזרים שונים
סוגים שונים של הומוגנייזרים זמינים מסחרית לשימוש בייצור שולחני ובייצור תעשייתי בקנה מידה גדול. עם זאת, מערבלי רוטור/סטטור (קולואידליים), הומוגנייזרים בלחץ גבוה והומוגנייזרים אולטרסוניים הם הדגמים הנפוצים ביותר.
למערבלי אימפלר או להבים יש להב מסתובב, המסתובב במהירות גבוהה בתחתית מכל הערבוב וכך משלב חומרים שונים לתערובת הומוגנית.
כפי שכבר משתמע משמו של מערבל הרוטור/סטטור, הוא כולל רכיב רוטור ורכיב סטטור. הרוטור הוא ציר מתכת המסתובב במהירויות גבוהות בתוך הסטטור. הסטטור הוא חלק המתכת שנותר נייח. סיבוב הרוטור יוצר אפקט יניקה המניע את החומר המוצק–נוזלי בין הסטטור לרוטור, שם המוצקים מוקטנים לחלקיקים קטנים יותר.
עקרון הפעולה של ההומוגנייזר בלחץ גבוה (HPH) מבוסס על שימוש במשאבה בלחץ גבוה ובשסתום (נחיר, פתח), מה שהופך את הציוד לגדול, כבד ויקר. התרחיף המעובד נדחף במהירות זרימה גבוהה דרך פתח קטן, המקטין את גודל החלקיקים, שכן החלקיקים צריכים להיות בגודל קטן מסוים כדי לעבור דרך השסתום. במיוחד בעת עיבוד מוצקים, הומוגנייזרים בלחץ גבוה נוטים להיסתם.
הומוגנייזרים אולטרסוניים משתמשים בכוחות הגזירה הגבוהים הנוצרים בקוויטציה אקוסטית, המקנים להם יתרונות שונים על פני טכניקות הומוגניזציה אחרות. עקרון הפעולה והיתרונות של הומוגניזציה אולטרסונית מוצגים להלן.
אולטרסאונד בהספק גבוה ככוח להומוגניזציה
הומוגנייזר אולטרסוני משתמש בתנודות אולטרסוניות בעוצמה גבוהה ובקוויטציה ליצירת כוחות גזירה עזים מאוד, ולכן ניתן לכנותו מערבל בעל גזירה גבוהה ועוצמה גבוהה במיוחד. הסוד שמאחורי כוחות הגזירה העזים במיוחד הוא קוויטציה אקוסטית, הנוצרת באמצעות גלים אולטרסוניים בהספק גבוה. הומוגנייזר אולטרסוני כולל מחולל, המשמש כספק הכוח וכיחידת הבקרה, ומתמר. המתמר מכיל רכיבים קרמיים פיאזואלקטריים. רכיבים קרמיים פיאזואלקטריים אלה ממירים את האנרגיה החשמלית לתנודות, שכן הגבישים הפיאזואלקטריים משנים את גודלם ואת צורתם כאשר מופעל עליהם מתח. כאשר תדר המתנד האלקטרוני שווה לתדר העצמי של הקוורץ הפיאזואלקטרי, מתרחשת תהודה. בתנאי תהודה, הקוורץ מפיק גלים אולטרסוניים אורכיים בעלי אמפליטודה גדולה.
הגלים האולטרסוניים שנוצרים מועברים לאחר מכן דרך הגשוש האולטרסוני (סונוטרודה / קרן) אל תווך התהליך. האמפליטודה בגשוש האולטרסוני קובעת את עוצמת הגלים האולטרסוניים המועברים אל הנוזל או התרחיף הסמיך. הגלים האולטרסוניים יוצרים בתווך הנוזלי מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ריק קטנות בנוזל. במהלך מחזור הלחץ הגבוה, בועות הריק הקטנות קורסות באופן הרסני. תופעה זו נקראת קוויטציה. קריסה פנימה של בועות קוויטציה עשויה גם ליצור סילוני נוזל במהירות גבוהה של עד 280 m/s, המובילים ליצירת כוחות גזירה חזקים. כוחות הגזירה שוברים את החלקיקים, גורמים להתנגשויות בין חלקיקים ומפרקים טיפות ותאים באופן מכני, ובו בזמן מקדמים מעבר מסה יעיל ביותר. כוחות קוויטציה אלה יוצרים דיספרסיות, תחליבים ותרחיפים אחידים והומוגניים, וידועים גם כמקדמים תגובות כימיות (המכונות סונוכימיה).
קוויטציה אקוסטית (הנוצרת באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה) יוצרת תנאים קיצוניים באופן מקומי, המכונים השפעות סונומכניות וסונוכימיות. בזכות השפעות אלה, סוניקציה מקטינה חלקיקים מוצקים ונוזליים ומערבבת אותם לכדי פורמולציה הומוגנית.
קוויטציה אולטרסונית בגשוש cascatrode של המכשיר האולטרסוני UIP1000hdT (1000 watts, 20kHz) בריאקטור זכוכית. אור אדום מלמטה משמש לשיפור הנראות של הקוויטציה.
יתרונות השימוש במכשירי סוניקציה כהומוגנייזרים
הומוגנייזרים אולטרסוניים עדיפים בכל הנוגע לייצור תרחיפים ותמיסות של מוצק–נוזל (המכונים תרחיפים סמיכים) ושל נוזל–נוזל. מאחר שמכשירים אולטרסוניים מבוססים על עקרון הפעולה של קוויטציה אולטרסונית, החומר צריך להיות רטוב או להימצא בפאזה רטובה, שכן קוויטציה מתרחשת רק בנוזל. משמעות הדבר היא שמכשיר אולטרסוני לא יהיה יעיל במיוחד בערבוב אבקה יבשה, אך ברגע שהאבקה נרטבת, סוניקציה היא שיטת הערבוב היעילה ביותר. הומוגנייזרים אולטרסוניים ידועים ביכולתם לערבב, למזג ולפזר באופן אמין אפילו משחות וחומרים בעלי צמיגות גבוהה. הכוחות העזים באופן יוצא דופן הנגרמים מקריסת בועות הקוויטציה יוצרים לא רק כוחות גזירה חזקים מאוד, אלא גם טמפרטורות ולחצים גבוהים המוגבלים לאזורים מקומיים, וכן הפרשי טמפרטורה ולחץ בהתאמה. שילוב זה של כוחות פיזיקליים מפרק חלקיקים לגדלים קטנים בהרבה מאלה המתקבלים באמצעות הומוגנייזר קונבנציונלי. לכן, הומוגנייזרים אולטרסוניים הם הציוד המועדף לייצור אמין של תחליבים ודיספרסיות בגודל ננומטרי.
- יעילות מצוינת
- יכולת להעביר אנרגיה ממוקדת ביותר
- תוצאות עדיפות בקנה מידה מיקרוני וננומטרי
- לתחליבים ולדיספרסיות בגודל מיקרוני וננומטרי
- כל נפח, מ־mL ועד tons/hr
- עיבוד באצווה ובקו הייצור
- למעבר יחיד ולסחרור חוזר
- בקרת תהליך מדויקת
- תפעול פשוט
- ניקוי קל
- דרישות תחזוקה נמוכות
יישומים של הומוגנייזרים אולטרסוניים
הומוגנייזרים אולטרסוניים נמצאים בשימוש נרחב במעבדות ובמתקנים תעשייתיים לצורך הומוגניזציה של תרחיפי מוצק–נוזל ונוזל–נוזל, הקטנת גודל חלקיקים, פירוק ומיצוי של חומר ביולוגי, הגברת תגובות כימיות והמסה של תרכובות מסיסות.
תחלוב אולטרסוני
תחלוב הוא תהליך של ערבוב שני נוזלים או יותר שאינם מתערבבים זה בזה, כדי להכין תערובת יציבה או יציבה למחצה. בדרך כלל, שני הנוזלים האלה הם פאזה שמנית ופאזה מימית (מים). כדי לייצב את תערובת הפאזות הנוזליות השונות, מוסיפים מתחלב (חומר פעיל שטח / חומר פעיל שטח מסייע). לגודל הטיפות בתחליב יש תפקיד מכריע בתפקודו וביציבותו של התחליב. מכיוון שאולטרסאונד בהספק גבוה יוצר כוחות סונומכניים, המפרקים טיפות ומקטינים אותן לטיפות זעירות, סוניקציה היא שיטה פופולרית מאוד לייצור מיקרו־תחליבים וננו־תחליבים. הומוגנייזרים אולטרסוניים הם כלי אמין לייצור תחליבי O/W ו־W/O, תחליבים הפוכים, תחליבים כפולים (O/W/O, W/O/W), מיני־תחליבים וכן תחליבי Pickering. בזכות גמישות זו ויכולת התחלוב האמינה, הומוגנייזרים אולטרסוניים (המכונים לעיתים גם מתחלבים אולטרסוניים כאשר הם משמשים לתחלוב) משמשים, למשל, בתעשיות הכימיה, המזון, התרופות והדלק לייצור תחליבים יציבים לאורך זמן.
לחצו על הקישורים הבאים כדי ללמוד עוד על ננו־תחליבים ועל תחליבי Pickering!
דיספרסיה אולטרסונית
הומוגנייזרים אולטרסוניים יעילים מאוד כאשר יש להקטין באופן אמין את גודלם של אגלומרטים, אגרגטים ואפילו חלקיקים ראשוניים. היתרון של הומוגנייזרים אולטרסוניים הוא יכולתם לטחון חלקיקים לגדלים קטנים ואחידים יותר, בין שהתוצאה המבוקשת של התהליך היא חלקיקים בגודל מיקרוני ובין שהיא חלקיקים בגודל ננומטרי. כוחות גזירה הנוצרים בקוויטציה וזרמי נוזל מאיצים את החלקיקים כך שהם מתנגשים זה בזה. תופעה זו מכונה התנגשות בין חלקיקים. החלקיקים עצמם משמשים כתווך הטחינה, וכך נמנעים זיהום מכדורי טחינה ותהליך ההפרדה הנדרש לאחר מכן בעת שימוש בטחנות כדורים קונבנציונליות. מכיוון שהחלקיקים מתנגשים זה בזה במהירויות גבוהות מאוד של עד 280m/sec, פועלים עליהם כוחות חזקים במיוחד, ולכן הם מתנפצים לשברים זעירים. חיכוך ושחיקה מעניקים לשברי החלקיקים האלה פני שטח מלוטשים וצורה אחידה. השילוב של כוחות גזירה והתנגשות בין חלקיקים מעניק להומוגניזציה ולדיספרסיה אולטרסוניות יתרון בכך שהוא מספק תרחיפים ודיספרסיות קולואידיים הומוגניים ביותר!
רצף התמונות שלהלן מציג את כוחות הקוויטציה של האולטרסאונד הפועלים על פתיתי גרפיט.
רצף פריימים שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), הממחיש קילוף סונומכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, מכשיר אולטרסוני בהספק 200W עם סונוטרודה בגודל 3-mm. החצים מצביעים על מקום הפיצול (הקילוף), ובועות קוויטציה חודרות אל תוך הסדק.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
דיספרסיה והומוגניזציה של ננו־חומרים
הכנת תערובות בקנה מידה ננומטרי היא משימה מאתגרת הן עבור תחליבים והן עבור דיספרסיות. רוב שיטות ההומוגניזציה והערבוב המקובלות, כגון מערבלי להבים, טחנות חרוזים, הומוגנייזרים בלחץ גבוה ומערבלים אחרים, מסוגלות לייצר חלקיקים בגודל מיקרוני, אך אינן יכולות להקטין באופן אמין טיפות ומוצקים לגודל ננומטרי. הדבר נובע בעיקר מעוצמה בלתי מספקת. לדוגמה, מערבלי להבים אינם מספקים כוחות גזירה מספיקים להקטנת חלקיקים לגודל ננומטרי. טחנות חרוזים, סוג נוסף של הומוגנייזר, אינן יכולות לטחון מוצקים באופן אחיד לגודל חלקיקים קטן מגודל החרוזים עצמם (אמצעי הטחינה). הגודל הממוצע של חרוזי טחינה מקובלים נע בין 1,500 mm ל־35,000 mm. בעיה נוספת היא זיהום עקב בלאי של אמצעי הטחינה. מכיוון שמכשירים אולטרסוניים מספקים כוחות גזירה גבוהים במיוחד, שניתן לשלוט בהם במדויק, קוויטציה אולטרסונית היא השיטה המועדפת לייצור אמין של ננו־דיספרסיות וננו־תחליבים במערכות מעבדה (מחקר ופיתוח), פיילוט ותעשייה.
דיספרסיות אולטרסוניות מציגות התפלגות אחידה של גודל החלקיקים, כאשר החלקיקים הוקטנו באופן אחיד. העקומות מציגות את התפלגות חלקיקי הסיליקה לפני הטיפול באולטרסאונד (העקומה הירוקה) ולאחר הפיזור האולטרסוני (העקומה האדומה).
הגדלת קנה המידה של תהליכי הומוגניזציה אולטרסונית
במעבר מהומוגנייזר אולטרסוני מעבדתי למכשיר אולטרסוני בקנה מידה של פיילוט, וממערכת פיילוט להומוגנייזר אולטרסוני לייצור בקנה מידה מלא, ניתן להגדיל את קנה המידה באופן ליניארי לחלוטין! כל פרמטרי התהליך החשובים, כגון אמפליטודה, לחץ, טמפרטורה וזמן עיבוד, נשמרים קבועים; רק שטח הפנים של הסונוטרודה האולטרסונית והמכשיר האולטרסוני, המשמש כמניע המספק אנרגיה לסונוטרודה, מוגדלים ליחידות גדולות וחזקות יותר. האפשרות להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של תהליכי הומוגניזציה אולטרסונית מאפשרת להשיג בייצור בהיקף גדול את אותן תוצאות באיכות גבוהה המתקבלות במערכות מעבדה ופיילוט.
מצאו את ההומוגנייזר האולטרסוני המתאים ביותר לתהליך שלכם!
Hielscher Ultrasonics היא השותפה שלכם בעלת הניסיון רב השנים בתחום ההומוגנייזרים האולטרסוניים. כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים, מיוצרים ונבדקים במטה שלנו בגרמניה לפני שאנו שולחים אותם ללקוחותינו ברחבי העולם. ההומוגנייזרים האולטרסוניים של Hielscher הם מכשירים איכותיים המתאפיינים בביצועים גבוהים וקבועים, באמינות, בעמידות ובידידותיות למשתמש. התחכום הטכני של טכנולוגיית ההומוגניזציה האולטרסונית מעניק למשתמשים בציוד של Hielscher יתרונות תחרותיים, ההופכים אותם למובילי השוק בענף שלהם. עם מגוון המוצרים הרחב, הכולל הומוגנייזרים מעבדתיים ושולחניים, מערכות פיילוט והומוגנייזרים אולטרסוניים בקנה מידה תעשייתי מלא לייצור מסחרי, ל־Hielscher יש מערכת ערבוב אולטרסונית אידיאלית לדרישות שלכם. מגוון האביזרים מאפשר ליצור תצורה אידיאלית של הומוגנייזר אולטרסוני – בהתאמה לצרכים האישיים.
ספרו לנו על הדרישות והמפרטים של התהליך שלכם – נשמח להמליץ לכם על ההומוגנייזר האולטרסוני המתאים והיעיל ביותר ליישום שלכם!
יעילות גבוהה באמצעות הומוגנייזרים אולטרסוניים
בזכות יעילות תהליך יוצאת דופן, עלויות השקעה סבירות, יעילות אנרגטית גבוהה מאוד ועלויות עבודה ותחזוקה נמוכות, ההומוגנייזרים האולטרסוניים של Hielscher עולים בביצועיהם על שיטות הומוגניזציה מקובלות ומשיגים החזר השקעה מהיר (RoI). לעיתים קרובות, עלותו של הומוגנייזר אולטרסוני מוחזרת בתוך חודשים ספורים.
אולטרסאונד בהספק גבוה להומוגניזציה תעשייתית
המשרעת היא פרמטר התהליך החשוב ביותר בתהליכי הומוגניזציה המבוססים על אולטרסאונד. כל מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת במשרעת. בהתאם למטרת התהליך, ניתן להגדיר משרעת נמוכה יותר לתנאי עיבוד מתונים יותר, או לבחור במשרעת גבוהה להשגת תוצאות דיספרסיה הכרוכות בפירוק רב יותר. מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעילם בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בפעולה 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית.
דרישות תחזוקה נמוכות להומוגנייזרים אולטרסוניים
הומוגנייזרים אולטרסוניים גם קלים לניקוי, שכן הסונוטרודה והריאקטור הם הרכיבים היחידים הנרטבים ובאים במגע עם החומר המעובד. הסונוטרודה (המכונה גם קרן אולטרסונית או גשושית) והריאקטור עשויים מטיטניום ומפלדת אל־חלד, בהתאמה, ובעלי מבנה גאומטרי נקי ללא פתחים צרים או פינות מתות.
החלק היחיד הנתון לבלאי הוא הגשושית האולטרסונית, שניתן להחליפה ללא הפרעה משמעותית לפעולה. החלפת הסונוטרודה של מכשיר אולטרסאונד מעבדתי מתבצעת בתוך כ־10 min, ואילו החלפת סונוטרודה של הומוגנייזר אולטרסוני תעשייתי עשויה להימשך כ־30–45 min.
צרו איתנו קשר עכשיו! הצוות המנוסה שלנו ישמח לספק מידע טכני והמלצות הנוגעות לתהליך!
הטבלה שלהלן מספקת אומדן לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 0.3 עד 60L | 0.6 עד 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, דיספרסיה, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
שאלות נפוצות על הומוגנייזרים
- מהו עקרון הפעולה של הומוגנייזר? הומוגנייזר מפעיל כוחות גזירה על נוזלים, תרחיפים ותרחיפים סמיכים. הגזירה מקטינה את גודל החלקיקים בתערובות מוצק–נוזל ונוזל–נוזל ויוצרת התפלגויות אחידות של גודל החלקיקים. הומוגנייזרים יכולים לייצר תחליבים או דיספרסיות יציבים.
- מהו העיקרון של תהליך ההומוגניזציה? העיקרון הבסיסי של הומוגניזציה הוא הפעלת כוח מכני, כגון רטט אולטרסוני וקוויטציה, על תערובת הטרוגנית כדי לפרק חלקיקים לגודל קטן ואחיד, וכך להשיג תערובת אחידה ויציבה המונעת היפרדות לאורך זמן.
- מהי המטרה העיקרית של הומוגניזציה? המטרה העיקרית של הומוגניזציה היא לשפר את היציבות והאחידות של מוצר באמצעות הקטנת גודל החלקיקים. תהליך זה משפר את התכונות הפיזיקליות של התערובת, כגון צמיגות, מרקם וחיי מדף, ולכן הוא חיוני בעיבוד מזון ובתעשיות התרופות והקוסמטיקה.
קראו עוד על הומוגנייזרים אולטרסוניים למזון! - מהי הומוגניזציה אולטרסונית? הומוגניזציה אולטרסונית משתמשת בגלי קול בתדר גבוה להשראת קוויטציה בתווך נוזלי, וכך נוצרים כוחות גזירה עזים המפרקים חלקיקים ברמה המיקרוסקופית. שיטה זו יעילה במיוחד לפירוק תאים, לדיספרסיה של ננו־חלקיקים ולתחלוב.
- מהי סוניקציה לצורך הומוגניזציה? סוניקציה לצורך הומוגניזציה כוללת הפעלת אנרגיה אולטרסונית על דגימות להשגת ערבוב עדין ואחיד. תהליך זה יעיל לדיספרסיה, לתחלוב ולהקטנת גודל החלקיקים בתוך זורם, ונמצא בשימוש נרחב הן במחקר והן בתעשייה.
- מהם 2 סוגי שיטות הסוניקציה? שני הסוגים העיקריים של שיטות סוניקציה הם סוניקציה ישירה וסוניקציה עקיפה. סוניקציה ישירה כרוכה בהטבלת גשוש ישירות בדגימה, ואילו סוניקציה עקיפה מתבצעת באמבט שבו הדגימות מונחות במכל הטבול בנוזל המתאים לסוניקציה. סוניקציה ישירה היא בדרך כלל עוצמתית יותר ויעילה יותר להומוגניזציה מסוניקציה עקיפה.
ספרות / מקורות
- 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.