होमोजेनाइज़र – कार्य सिद्धांत, उपयोग और स्केल-अप

होमोजेनाइज़र एक प्रकार के मिश्रक हैं, जो द्रव-द्रव और ठोस-द्रव प्रणालियों को मिलाने, पायसीकृत करने, परिक्षेपित करने और घोलने के लिए यांत्रिक बल लगाते हैं। होमोजेनाइज़र के मॉडल के अनुसार, ठोस कणों और द्रव की बूंदों को विघटित करने और तोड़ने के लिए आवश्यक बल उत्पन्न करने हेतु घूर्णन से उत्पन्न अपरूपण, नोज़ल या उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है। होमोजेनाइज़र उपकरणों और अनुसंधान तथा उत्पादन में उनके अनुप्रयोगों के बारे में अधिक जानें!

होमोजेनाइज़र क्या है?

होमोजेनाइज़र मिश्रण उपकरणों का एक वर्ग है, जिसे ठोस और द्रव, दोनों प्रकार के कणों को तोड़कर एक समान मिश्रण बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। होमोजेनाइज़र प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और औद्योगिक उपकरणों के रूप में उपलब्ध हैं, जिनका उपयोग अनुसंधान और उद्योग में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। होमोजेनाइज़र के सामान्य अनुप्रयोगों में कणों, वर्णकों, रसायनों, पौधों, खाद्य पदार्थों, कोशिकाओं, ऊतकों और अन्य विभिन्न सामग्रियों का मिश्रण और विघटन शामिल है।

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विभिन्न प्रकार के होमोजेनाइज़र का अवलोकन

बेंच-टॉप और बड़े पैमाने के औद्योगिक उत्पादन में उपयोग के लिए विभिन्न प्रकार के होमोजेनाइज़र व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। हालांकि, रोटर/स्टेटर (कोलॉइड) मिश्रक, उच्च-दाब होमोजेनाइज़र और अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले मॉडल हैं।
इम्पेलर या ब्लेड मिश्रकों में एक घूमने वाला ब्लेड होता है, जो मिश्रण पात्र के तल पर तेज़ गति से घूमता है और इस प्रकार विभिन्न सामग्रियों को मिलाकर एक समांगी मिश्रण बनाता है।
जैसा कि रोटर/स्टेटर मिश्रक के नाम से ही स्पष्ट है, इसमें एक रोटर और एक स्टेटर घटक होता है। रोटर एक धातु का शाफ्ट होता है, जो स्टेटर के भीतर तेज़ गति से घूमता है। स्टेटर धातु का वह भाग है जो स्थिर रहता है। रोटर के घूमने से चूषण प्रभाव उत्पन्न होता है, जो ठोस-द्रव सामग्री को स्टेटर और रोटर के बीच ले जाता है, जहां ठोस पदार्थों के कणों का आकार छोटा हो जाता है।
उच्च-दाब होमोजेनाइज़र (HPH) का कार्य सिद्धांत उच्च-दाब पंप और वाल्व (नोज़ल, छिद्र) के उपयोग पर आधारित है, जिससे उपकरण बड़ा, भारी और महंगा हो जाता है। प्रसंस्करण के दौरान स्लरी को उच्च प्रवाह वेग से एक छोटे छिद्र से बलपूर्वक गुज़ारा जाता है, जिससे कणों का आकार कम हो जाता है, क्योंकि वाल्व से गुज़रने के लिए कणों का आकार एक निश्चित सीमा तक छोटा होना आवश्यक होता है। विशेष रूप से ठोस पदार्थों के प्रसंस्करण के दौरान HPH में रुकावट होने की संभावना रहती है।
अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र ध्वनिक कैविटेशन से उत्पन्न तीव्र अपरूपण बलों का उपयोग करते हैं, जिससे उन्हें अन्य समांगीकरण तकनीकों की तुलना में विभिन्न लाभ मिलते हैं। अल्ट्रासोनिक समांगीकरण का कार्य सिद्धांत और इसके लाभ नीचे प्रस्तुत किए गए हैं।

समांगीकरण बल के रूप में उच्च-शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड

एक अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र अत्यंत तीव्र अपरूपण बल उत्पन्न करने के लिए उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक कंपन और कैविटेशन का उपयोग करता है और इसलिए इसे अति-तीव्र उच्च-अपरूपण मिक्सर कहा जा सकता है। अति-तीव्र उच्च-अपरूपण बलों के पीछे का रहस्य ध्वनिक कैविटेशन है, जो उच्च शक्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों से उत्पन्न होता है। एक अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र में एक जनरेटर होता है, जो विद्युत आपूर्ति और नियंत्रण इकाई का काम करता है, और एक ट्रांसड्यूसर होता है। ट्रांसड्यूसर में पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक होते हैं। ये पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक विद्युत ऊर्जा को दोलन में परिवर्तित करते हैं, क्योंकि वोल्टेज लागू करने पर पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल अपना आकार और आकृति बदलते हैं। जब इलेक्ट्रॉनिक दोलक की आवृत्ति पीज़ोइलेक्ट्रिक क्वार्ट्ज की प्राकृतिक आवृत्ति के बराबर होती है, तो अनुनाद होता है। अनुनाद की स्थितियों में क्वार्ट्ज बड़े आयाम वाली अनुदैर्ध्य अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करता है।
इसके बाद उत्पन्न अल्ट्रासाउंड तरंगों को अल्ट्रासोनिक प्रोब (सोनोट्रोड / हॉर्न) के माध्यम से प्रक्रिया माध्यम में संचारित किया जाता है। अल्ट्रासोनिक प्रोब पर आयाम उन अल्ट्रासाउंड तरंगों की तीव्रता निर्धारित करता है, जो द्रव या स्लरी में संचारित होती हैं। अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव माध्यमों में बारी-बारी से उच्च दाब और निम्न दाब के चक्र उत्पन्न करती हैं। निम्न दाब चक्र के दौरान उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में छोटे निर्वात बुलबुले उत्पन्न करती हैं। उच्च दाब चक्र के दौरान छोटे निर्वात बुलबुले विनाशकारी रूप से ध्वस्त हो जाते हैं। इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। कैविटेशन बुलबुलों के अंतःस्फोट से 280 m/s तक की उच्च गति वाले द्रव जेट भी उत्पन्न हो सकते हैं, जिनसे शक्तिशाली अपरूपण बल पैदा होते हैं। अपरूपण बल कणों को तोड़ते हैं, कणों के बीच टक्कर कराते हैं और बूंदों तथा कोशिकाओं को यांत्रिक रूप से विघटित करते हैं, साथ ही अत्यधिक कुशल द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं। ये कैविटेशन बल एकसमान और समांगी परिक्षेपण, इमल्शन तथा निलंबन उत्पन्न करते हैं और रासायनिक अभिक्रियाओं (जिसे सोनोकेमिस्ट्री कहा जाता है) को बढ़ावा देने के लिए भी जाने जाते हैं।

ध्वनिक कैविटेशन (उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड से उत्पन्न) स्थानीय स्तर पर चरम स्थितियाँ पैदा करता है, जिन्हें सोनोमैकेनिकल और सोनोकेमिकल प्रभाव कहा जाता है। इन प्रभावों के कारण सोनिकेशन ठोस और द्रव कणों का आकार घटाता है और उन्हें मिलाकर एक समांगी फ़ॉर्मूलेशन बनाता है।

होमोजेनाइज़र के रूप में सोनिकेटर का उपयोग करने के लाभ

ठोस-द्रव (जिन्हें स्लरी कहा जाता है) और द्रव-द्रव निलंबनों तथा विलयनों के उत्पादन में अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र श्रेष्ठ हैं। चूँकि अल्ट्रासोनिकेटर अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के कार्य सिद्धांत का उपयोग करते हैं, इसलिए सामग्री गीली या गीली अवस्था में होनी चाहिए, क्योंकि कैविटेशन केवल द्रव में होता है। इसका अर्थ है कि सूखे पाउडर को मिलाने में अल्ट्रासोनिकेटर बहुत कुशल नहीं होगा, लेकिन जैसे ही पाउडर गीला हो जाता है, सोनिकेशन मिश्रण के लिए सबसे कुशल विधि बन जाता है। अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र पेस्ट और अत्यधिक श्यान सामग्रियों तक को विश्वसनीय ढंग से मिलाने, मिश्रित करने और परिक्षेपित करने के लिए जाने जाते हैं। कैविटेशन बुलबुलों के अंतःस्फोट से उत्पन्न असाधारण रूप से तीव्र बल न केवल बहुत शक्तिशाली उच्च-अपरूपण बल पैदा करते हैं, बल्कि स्थानीय रूप से सीमित उच्च तापमान और दाब तथा उनके संबंधित अंतर भी उत्पन्न करते हैं। भौतिक बलों का यह संयोजन कणों को पारंपरिक होमोजेनाइज़र की तुलना में बहुत छोटे आकारों में विघटित करता है। इसलिए नैनो आकार के इमल्शन और परिक्षेपणों के विश्वसनीय उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र पसंदीदा उपकरण हैं।

अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र के अनुप्रयोग

अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का प्रयोगशालाओं और औद्योगिक सुविधाओं में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है ताकि ठोस-द्रव और द्रव-द्रव निलंबनों को समरूप बनाया जा सके, कणों का आकार घटाया जा सके, जैविक सामग्री का विघटन और निष्कर्षण किया जा सके, रासायनिक अभिक्रियाओं को तीव्र किया जा सके और घुलनशील यौगिकों को घोला जा सके।

अल्ट्रासोनिक इमल्सीकरण

इमल्सीकरण दो या अधिक अमिश्रणीय द्रवों को एक साथ मिलाकर स्थिर या अर्धस्थिर मिश्रण तैयार करने की प्रक्रिया है। सामान्यतः, इन दो द्रवों में एक तेल प्रावस्था और एक जलीय (पानी की) प्रावस्था होती है। विभिन्न द्रव प्रावस्थाओं के मिश्रण को स्थिर करने के लिए एक इमल्सीकारक (पृष्ठसक्रियकारक / सह-पृष्ठसक्रियकारक) मिलाया जाता है। इमल्शन की कार्यक्षमता और स्थिरता में उसकी बूंदों का आकार अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। चूँकि उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड ध्वनि-यांत्रिक बल उत्पन्न करता है, जो बूंदों को तोड़कर अत्यंत छोटी बूंदों में बदल देते हैं, इसलिए माइक्रोन-आकार के और नैनो-इमल्शन के उत्पादन के लिए सोनिकेशन एक बहुत लोकप्रिय विधि है। अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र O/W और W/O इमल्शन, विपरीत इमल्शन, दोहरे इमल्शन (O/W/O, W/O/W), मिनी-इमल्शन तथा Pickering इमल्शन के उत्पादन के लिए एक विश्वसनीय साधन हैं। इस बहुमुखी उपयोगिता और विश्वसनीय इमल्सीकरण क्षमता के आधार पर, अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र (इमल्सीकरण के लिए उपयोग किए जाने पर कभी-कभी अल्ट्रासोनिक इमल्सीकारक भी कहलाते हैं) का उपयोग, उदाहरण के लिए, रसायन, खाद्य, औषधि और ईंधन उद्योगों में लंबे समय तक स्थिर रहने वाले इमल्शन बनाने के लिए किया जाता है।
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अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण

जब कणों के एग्लोमरेट, एग्रीगेट और यहाँ तक कि प्राथमिक कणों का आकार भी विश्वसनीय रूप से घटाना आवश्यक हो, तब अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बहुत प्रभावी होते हैं। अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का लाभ कणों को पीसकर छोटे और अधिक एकसमान आकार के कणों में बदलने की उनकी क्षमता है, चाहे प्रक्रिया के परिणाम के रूप में माइक्रोन-कण प्राप्त करने का लक्ष्य हो या नैनो-कण। कैविटेशन से उत्पन्न अपरूपण बल और द्रव धाराएँ कणों को त्वरित करती हैं, जिससे वे एक-दूसरे से टकराते हैं। इसे अंतरकणीय टक्कर कहा जाता है। कण स्वयं पिसाई माध्यम के रूप में कार्य करते हैं, जिससे पिसाई की गोलिकाओं से होने वाला संदूषण और उसके बाद की पृथक्करण प्रक्रिया टल जाती है, जो पारंपरिक बीड मिलों का उपयोग करते समय आवश्यक होती है। चूँकि अंतरकणीय टक्करों में कण 280m/sec तक की अत्यंत उच्च गति से टकराते हैं, इसलिए उन पर असाधारण रूप से उच्च बल लगते हैं, जिससे वे अत्यंत छोटे खंडों में टूट जाते हैं। घर्षण और अपरदन इन कण-खंडों को चिकनी सतह और एकसमान आकृति प्रदान करते हैं। अपरूपण बलों और अंतरकणीय टक्करों का संयोजन अल्ट्रासोनिक समरूपीकरण और परिक्षेपण को बढ़त देता है, जिससे अत्यधिक समरूप कोलॉइडी निलंबन और परिक्षेपण प्राप्त होते हैं!
नीचे दिया गया चित्र-क्रम ग्रेफाइट के शल्कों पर अल्ट्रासाउंड के कैविटेशन बलों को दर्शाता है।

जल में ग्रेफाइट के एक शल्क के ध्वनि-यांत्रिक अपस्तरण को दर्शाने वाला फ़्रेमों का उच्च-गति क्रम (a से f तक), जिसमें UP200S, एक 200W अल्ट्रासोनिकेटर, का उपयोग 3-mm सोनोट्रोड के साथ किया गया है। तीर विभाजन (अपस्तरण) का स्थान दिखाते हैं, जहाँ कैविटेशन बुलबुले दरार में प्रवेश कर रहे हैं।
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

नैनोसामग्रियों का परिक्षेपण और समरूपीकरण

इमल्शन और परिक्षेपण, दोनों के लिए नैनो आकार के मिश्रण तैयार करना एक चुनौतीपूर्ण कार्य है। ब्लेड मिक्सर, बीड मिल, उच्च-दाब होमोजेनाइज़र और अन्य मिक्सर जैसी अधिकांश पारंपरिक समांगीकरण और मिश्रण तकनीकें माइक्रोन आकार के कण उत्पन्न कर सकती हैं, लेकिन वे बूंदों और ठोस पदार्थों को विश्वसनीय रूप से नैनो आकार तक नहीं तोड़ सकतीं। इसका मुख्य कारण अपर्याप्त तीव्रता है। उदाहरण के लिए, ब्लेड मिक्सर कणों को नैनो आकार तक तोड़ने के लिए पर्याप्त अपरूपण प्रदान नहीं करते। बीड मिल, जो होमोजेनाइज़र का एक अन्य प्रकार है, ठोस पदार्थों को एकसमान रूप से स्वयं बीड्स (पिसाई माध्यम) से भी अधिक महीन कण आकार तक नहीं पीस सकतीं। पारंपरिक पिसाई बीड्स का औसत आकार 1,500 mm – 35,000 mm के बीच होता है। एक अन्य समस्या पिसाई माध्यम की घिसावट से होने वाला संदूषण है। चूँकि अल्ट्रासोनिकेटर असाधारण रूप से उच्च, फिर भी सटीक रूप से नियंत्रित किए जा सकने वाले अपरूपण बल प्रदान करते हैं, इसलिए अल्ट्रासोनिक कैविटेशन प्रयोगशाला (R&D), पायलट और औद्योगिक व्यवस्थाओं में नैनो-परिक्षेपण और नैनो-इमल्शन के विश्वसनीय उत्पादन के लिए पसंदीदा तकनीक है।

अल्ट्रासोनिक समांगीकरण प्रक्रियाओं का पैमाना बढ़ाना

प्रयोगशाला के अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र से पायलट अल्ट्रासोनिकेटर तक और पायलट प्रणाली से पूर्ण पैमाने के उत्पादन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र तक पैमाना बढ़ाते समय, यह वृद्धि पूरी तरह रैखिक रूप से की जा सकती है! आयाम, दाब, तापमान और प्रसंस्करण समय जैसे सभी महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंड स्थिर रखे जाते हैं; केवल अल्ट्रासोनिक प्रोब का सतह क्षेत्र बढ़ाया जाता है और प्रोब को ऊर्जा प्रदान करने वाले चालक के रूप में अल्ट्रासोनिकेटर को बड़ी, अधिक शक्तिशाली इकाइयों तक बढ़ाया जाता है। अल्ट्रासोनिक समांगीकरण प्रक्रियाओं की रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाने की क्षमता बड़े पैमाने के उत्पादन में वही उच्च गुणवत्ता वाले परिणाम प्राप्त करना संभव बनाती है, जो प्रयोगशाला और पायलट व्यवस्थाओं में मिलते हैं।

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Hielscher Ultrasonics अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र के लिए आपका लंबे समय से अनुभवी साझेदार है। दुनिया भर के अपने ग्राहकों को भेजने से पहले सभी Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर जर्मनी स्थित हमारे मुख्यालय में डिज़ाइन, निर्मित और परीक्षित किए जाते हैं। Hielscher अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र उच्च गुणवत्ता वाले उपकरण हैं, जिनकी विशेषताएँ निरंतर उच्च प्रदर्शन, विश्वसनीयता, मजबूती और उपयोग में आसानी हैं। अल्ट्रासोनिक समांगीकरण तकनीक की तकनीकी परिष्कृतता Hielscher उपकरणों के उपयोगकर्ताओं को प्रतिस्पर्धात्मक लाभ देती है, जो उन्हें अपने उद्योग में बाज़ार का अग्रणी बनाते हैं। प्रयोगशाला और बेंच-टॉप होमोजेनाइज़र, पायलट प्रणालियों तथा वाणिज्यिक उत्पादन के लिए पूर्ण औद्योगिक अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र की व्यापक उत्पाद शृंखला के साथ, Hielscher के पास आपकी आवश्यकताओं के लिए आदर्श अल्ट्रासोनिक मिश्रण प्रणाली है। विविध सहायक उपकरण व्यक्तिगत आवश्यकताओं के अनुरूप आदर्श अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र व्यवस्था बनाना संभव बनाते हैं।
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अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र के उपयोग से उच्च दक्षता

असाधारण प्रक्रिया दक्षता, उचित निवेश लागत, अत्यधिक उच्च ऊर्जा दक्षता तथा कम श्रम और रखरखाव लागत के कारण, Hielscher अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र पारंपरिक समांगीकरण तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं और निवेश पर शीघ्र प्रतिफल (RoI) प्रदान करते हैं। अक्सर, अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र की लागत कुछ ही महीनों में वसूल हो जाती है।

औद्योगिक समांगीकरण के लिए उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड

अल्ट्रासाउंड द्वारा संचालित समांगीकरण प्रक्रियाओं में आयाम सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया पैरामीटर है। सभी Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर आयाम के सटीक नियंत्रण की सुविधा देते हैं। प्रक्रिया के लक्ष्य के आधार पर, अपेक्षाकृत सौम्य प्रसंस्करण परिस्थितियों के लिए कम आयाम निर्धारित किया जा सकता है या अधिक विघटनकारी परिक्षेपण परिणामों के लिए उच्च आयाम चुना जाता है। Hielscher औद्योगिक सोनिकेटर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए, आवश्यकताओं के अनुरूप बनाए गए अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।

अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र के लिए कम रखरखाव की आवश्यकता

अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र को साफ करना भी आसान है, क्योंकि सोनोट्रोड और रिएक्टर ही ऐसे घटक हैं जो गीले होते हैं और प्रसंस्कृत सामग्री के संपर्क में आते हैं। सोनोट्रोड (जिसे अल्ट्रासोनिक हॉर्न या प्रोब भी कहा जाता है) और रिएक्टर क्रमशः टाइटेनियम और स्टेनलेस स्टील से बने होते हैं तथा उनकी बनावट साफ-सुथरी होती है, जिसमें कोई छिद्र या ऐसे कोने नहीं होते जहाँ सामग्री ठहर जाए।
अल्ट्रासोनिक प्रोब ही एकमात्र हिस्सा है जो घिसता है और जिसे संचालन में कोई महत्वपूर्ण व्यवधान डाले बिना बदला जा सकता है। प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिकेटर का सोनोट्रोड लगभग 10 min में बदल दिया जाता है, जबकि औद्योगिक अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का सोनोट्रोड बदलने में लगभग 30–45 min लग सकते हैं।

अभी हमसे संपर्क करें! हमारी अत्यंत अनुभवी टीम तकनीकी जानकारी और प्रक्रिया से संबंधित सुझाव प्रदान करके प्रसन्न होगी!

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: