Homogenizatori – Princip rada, korištenje i povećanje
Homogenizatori su vrsta miksera koji primjenjuju mehaničke sile za miješanje, emulgiranje, disperziju i otapanje sustava tekućina-tekućina i krutina-tekućina. Ovisno o modelu homogenizatora, rotacijsko smicanje, mlaznice ili ultrazvuk velike snage koriste se za stvaranje potrebnih sila za dezintegraciju i razbijanje čvrstih čestica, kao i kapljica tekućine. Saznajte više o uređajima za homogenizatore i njihovoj primjeni u istraživanju i proizvodnji!
Što je homogenizator?
Homogenizator je klasa uređaja za miješanje koji je dizajniran za razbijanje čestica, krutih i tekućih, u jednoličnu smjesu. Homogenizatori su dostupni kao laboratorijska, stolna i industrijska oprema koja se koristi za različite primjene u istraživanju i industriji. Tipična primjena homogenizatora uključuje miješanje i dezintegraciju različitih materijala, uključujući čestice, pigmente, kemikalije, biljke, hranu, stanice, tkiva, između ostalog.
Kontaktirajte nas kako biste saznali više o homogenizatorima, sonikaciji i kako možete koristiti naše sonikatore za svoj proces!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski linijski homogenizator s ultrazvučnim uređajima snage 16.000 W za zahtjevne primjene kao što su nano-disperzije i nano-emulzije.
Pregled različitih tipova homogenizatora
Različiti tipovi homogenizatora komercijalno su dostupni za upotrebu u stolnoj i industrijskoj proizvodnji velikih razmjera. Međutim, rotor/stator (koloidni) mješači, visokotlačni homogenizatori i ultrazvučni homogenizatori su najčešće korišteni modeli.
Mješalice s impelerom ili lopaticom imaju lopaticu koja se okreće velikom brzinom na dnu posude za miješanje i na taj način spaja različite materijale u homogenu smjesu.
Kao što naziv miješalice rotor/stator već implicira, miješalica rotor/stator ima komponentu rotora i statora. Rotor je metalna osovina koja se vrti velikom brzinom unutar statora. Stator je metalni dio koji ostaje nepomičan. Rotacija rotora stvara učinak usisavanja koji pomiče kruto-tekući materijal između statora i rotora, gdje se krutine smanjuju na manju veličinu čestica.
Princip rada visokotlačnog homogenizatora (HPH) temelji se na korištenju visokotlačne pumpe i ventila (mlaznice, otvora), što opremu čini velikom, teškom i skupom. Obrađena suspenzija se tjera velikom brzinom protoka kroz mali otvor, što smanjuje veličinu čestica jer je česticama potrebna određena mala veličina da bi prošle kroz ventil. Pogotovo pri obradi krutih tvari, HPH su skloni začepljenju.
Ultrazvučni homogenizatori koriste velike smične sile koje stvara akustična kavitacija, što im daje razne prednosti u odnosu na druge tehnike homogenizacije. Princip rada i prednosti ultrazvučne homogenizacije prikazani su u nastavku.
Ultrazvuk velike snage kao homogenizirajuća sila
Ultrazvučni homogenizator koristi ultrazvučne vibracije visokog intenziteta i kavitaciju za stvaranje vrlo intenzivnih smičnih sila i stoga se može nazvati super-intenzivnom mješalicom visokog smicanja. Tajna iza super-intenzivnih velikih smičnih sila je akustična kavitacija, koju generiraju ultrazvučni valovi velike snage. Ultrazvučni homogenizator ima generator, koji je jedinica napajanja i upravljanja, i pretvarač. Pretvornik sadrži piezo-električnu keramiku. Ova piezoelektrična keramika pretvara električnu energiju u oscilaciju, budući da piezoelektrični kristali mijenjaju svoju veličinu i oblik kada se primijeni napon. Kada je frekvencija elektroničkog oscilatora jednaka prirodnoj frekvenciji piezoelektričnog kvarca, dolazi do rezonancije. U uvjetima rezonancije, kvarc proizvodi longitudinalne ultrazvučne valove velike amplitude.
Generirani ultrazvučni valovi se zatim spajaju preko ultrazvučne sonde (sonotroda / sirena) u procesni medij. Amplituda na ultrazvučnoj sondi određuje intenzitet ultrazvučnih valova koji se prenose u tekućinu ili kašu. Ultrazvučni valovi stvaraju izmjenične cikluse visokog i niskog tlaka u tekućim medijima. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta proizvode male vakuumske mjehuriće u tekućini. Tijekom ciklusa visokog tlaka, mali vakuumski mjehurići destruktivno kolabiraju. Ova pojava se naziva kavitacija. Implozija kavitacijskih mjehurića također može generirati mlazove tekućine velikom brzinom do 280 m/s, što rezultira snažnim silama smicanja. Smične sile lome čestice, uzrokuju međučestične sudare i mehanički ometaju kapljice i stanice, promičući u isto vrijeme vrlo učinkovit prijenos mase. Ove kavitacijske sile proizvode jednolike i homogene disperzije, emulzije i suspenzije, a poznato je i da potiču kemijske reakcije (tzv. sonokemija).
Akustična kavitacija (generirana ultrazvukom velike snage) stvara lokalno ekstremne uvjete, tzv. sonomehaničke i sonokemijske učinke. Zbog ovih učinaka sonikacija smanjuje čvrste i tekuće čestice i miješa ih u homogenu formulaciju.
Ultrazvučna kavitacija na sondi kaskatrode ultrazvučni uređaj UIP1000hdT (1000 watta, 20kHz) u staklenom reaktoru. Crveno svjetlo s dna koristi se za poboljšanje vidljivosti kavitacije.
Ultrazvučni homogenizatori – Prednosti
Ultrazvučni homogenizatori su superiorni, kada je u pitanju proizvodnja kruto-tekuće (tzv. kaše) i tekuće-tekuće suspenzije i otopine. Budući da ultrazvučni uređaji koriste princip rada ultrazvučne kavitacije, materijal bi trebao biti mokar ili u mokroj fazi, budući da se kavitacija javlja samo u tekućini. To znači da ultrazvučni uređaj ne bi bio vrlo učinkovit u miješanju suhog praha, ali čim se prah smoči, sonikacija je najučinkovitija metoda za miješanje. Poznato je da ultrazvučni homogenizatori pouzdano miješaju, miješaju i raspršuju čak i paste i visoko viskozne materijale. Izuzetno intenzivne sile uzrokovane implozijom kavitacijskih mjehurića stvaraju ne samo vrlo snažne visoke smične sile, već i lokalno ograničene visoke temperature i tlakove kao i odgovarajuće razlike. Ova kombinacija fizičkih sila razbija čestice na mnogo manje veličine od konvencionalnog homogenizatora. Stoga su ultrazvučni homogenizatori poželjna oprema za pouzdanu proizvodnju emulzija i disperzija nano veličine.
- izvrsna učinkovitost
- sposobni isporučiti visoko fokusiranu energiju
- vrhunski rezultati u mikronskim i nano
- za emulzije i disperzije mikronske i nano veličine
- bilo koji volumen od mL do tona/h
- batch i inline
- za jednostruki prolaz i recirkulaciju
- precizna kontrola procesa
- jednostavan rad
- jednostavno čišćenje
- slabo održavanje
Primjena ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori naširoko se koriste u laboratorijskim i industrijskim postrojenjima za homogeniziranje kruto-tekuće i tekuće-tekuće suspenzije, smanjenje veličine čestica, ometanje i izdvajanje biološkog materijala, pojačavanje kemijskih reakcija i otapanje topljivih spojeva.
Ultrazvučna emulgacija
Emulgiranje je proces miješanja dviju ili više tekućina koje se ne miješaju kako bi se dobila stabilna ili polustabilna smjesa. Općenito, ove dvije tekućine sastoje se od uljne faze i vodene (vodene) faze. Kako bi se stabilizirala smjesa različitih tekućih faza, dodaje se emulgator (surfaktant / ko-tenzid). Veličina kapljice emulzije igra ključnu ulogu kada se radi o funkcionalnosti i stabilnosti emulzije. Budući da snažni ultrazvuk stvara sonomehaničke sile, koje razbijaju kapljice i smanjuju ih na sitne kapljice, sonikacija je vrlo popularna metoda za proizvodnju mikronskih i nanoemulzija. Ultrazvučni homogenizatori su pouzdan alat za proizvodnju O/W i W/O emulzija, inverznih emulzija, dvostrukih emulzija (O/W/O, W/O/W), mini-emulzija kao i Pickering emulzija. Na temelju ove fleksibilnosti i pouzdanog kapaciteta emulgiranja, ultrazvučni homogenizatori (ponekad se nazivaju i ultrazvučni emulgatori kada se koriste za emulgiranje) koriste se npr. u kemijskoj, prehrambenoj, farmaceutskoj industriji i industriji goriva za proizvodnju dugotrajno stabilnih emulzija.
Kliknite na sljedeće poveznice kako biste saznali više o nano-emulzije i Emulzije za skupljanje!
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvučni homogenizatori su vrlo učinkoviti kada se aglomerati čestica, agregati, pa čak i primarne čestice moraju pouzdano smanjiti u veličini. Prednost ultrazvučnih homogenizatora je njihova sposobnost mljevenja čestica do manjih i ujednačenijih veličina čestica, bilo da su ciljane mikronske ili nanočestice kao rezultat procesa. Kavitacijske sile smicanja i struje tekućine ubrzavaju čestice tako da se one sudaraju jedna s drugom. Ovo je poznato kao međučestični sudar. Same čestice djeluju kao medij za mljevenje, čime se izbjegava onečišćenje mljevenjem kuglica i kasnijim postupkom odvajanja, koji je neophodan kada se koriste konvencionalni kuglični mlinovi. Budući da se čestice sudaraju međučestičnim sudarom pri vrlo velikim brzinama do 280 m/s, na čestice djeluju iznimno velike sile, koje se stoga razbijaju u sitne frakcije. Trenje i erozija daju tim fragmentima čestica uglačanu površinu i jednoličan oblik. Kombinacija sila smicanja i međučestičnog sudara daje ultrazvučnoj homogenizaciji i disperziji prednost koja daje vrlo homogene koloidne suspenzije i disperzije!
Slijed slika ispod prikazuje kavitacijske sile ultrazvuka na grafitne ljuskice.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko ljuštenje grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučni uređaj od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto rascjepa (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru kroz rascjep.
© Tyurnina i sur. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Disperzija i homogenizacija nanomaterijala
I za emulzije i za disperzije, priprema smjesa nano veličine je izazovan zadatak. Većina konvencionalnih tehnika homogenizacije i miješanja kao što su mješalice s oštricama, mlinovi s kuglicama, visokotlačni homogenizatori i drugi mješači mogu proizvesti čestice mikronske veličine, ali ne mogu pouzdano razbiti kapljice i krutine do nano veličine. To je uglavnom zbog nedovoljnog intenziteta. Na primjer, mješalice s oštricama ne pružaju dovoljno smicanja za lomljenje čestica do nano veličine. Zrnasti mlinovi, još jedna vrsta homogenizatora, ne mogu ravnomjerno samljeti krutine do sitnijih čestica od samih zrna (medija za mljevenje). Konvencionalne kuglice za mljevenje imaju prosječnu veličinu između 1500 mm – 35 000 mm. Drugi problem je kontaminacija istrošenošću medija za mljevenje. Budući da ultrazvučni uređaji pružaju izvanredno visoke, ali precizno kontrolirane sile smicanja, ultrazvučna kavitacija je poželjna tehnika za pouzdanu proizvodnju nano-disperzija i nano-emulzija u laboratoriju (R&D), pilot i industrijske postavke.
Ultrazvučne disperzije pokazuju jednoliku distribuciju veličine čestica s homogeno smanjenim česticama. Krivulje pokazuju raspodjelu čestica silicija prije ultrazvuka (zelena krivulja) i nakon ultrazvučne disperzije (crvena krivulja).
Povećanje ultrazvučnih procesa homogenizacije
Kada se skalira s laboratorijskog ultrazvučnog homogenizatora na pilot ultrasonicator, i s pilot sustava na ultrazvučni homogenizator pune proizvodnje, skaliranje se može primijeniti potpuno linearno! Svi važni procesni parametri kao što su amplituda, tlak, temperatura i vrijeme obrade održavaju se konstantnima, samo se površina ultrazvučne sonde i ultrazvučnog uređaja kao energetskog mješača sonde skaliraju na veće, snažnije jedinice. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne homogenizacije omogućuje dobivanje u velikoj proizvodnji jednako visokokvalitetnih rezultata kao u laboratoriju i pilot postavkama.
Pronađite najprikladniji ultrazvučni homogenizator za svoj proces!
Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner za ultrazvučne homogenizatore. Svi Hielscher ultrasonicators su dizajnirani, proizvedeni i testirani u našem sjedištu u Njemačkoj prije nego što ih pošaljemo našim kupcima širom svijeta. Hielscher ultrazvučni homogenizatori su visokokvalitetni uređaji koje karakterizira konstantna visoka učinkovitost, pouzdanost, robusnost i lakoća korištenja. Tehnička sofisticiranost tehnologije ultrazvučne homogenizacije daje korisnicima Hielscher opreme konkurentske prednosti, što ih čini vodećim na tržištu u njihovoj industriji. Sa širokim asortimanom proizvoda od laboratorijskih i stolnih homogenizatora, pilot sustava i potpuno industrijskih ultrazvučnih homogenizatora za komercijalne proizvodnje, Hielscher ima idealan ultrazvučni sustav miješanja za vaše zahtjeve. Pribor razdjelnika omogućuje idealnu postavku ultrazvučnog homogenizatora – usklađivanje individualnih potreba.
Recite nam svoje zahtjeve i specifikacije procesa – rado ćemo vam preporučiti najprikladniji i najučinkovitiji ultrazvučni homogenizator za vašu primjenu!
Visoka učinkovitost pomoću ultrazvučnih homogenizatora
Zbog izvanredne učinkovitosti procesa, razumnih troškova ulaganja, vrlo visoke energetske učinkovitosti i niskih troškova rada i održavanja, Hielscher ultrazvučni homogenizatori nadmašuju konvencionalne tehnike homogenizacije i postižu brzi povrat investicije (Return on Investment). Često se ultrazvučni homogenizator amortizira u roku od nekoliko mjeseci.
Ultrazvuk velike snage za industrijsku homogenizaciju
Amplituda je najvažniji procesni parametar u procesima homogenizacije ultrazvukom. Svi Hielscher ultrasonicators omogućuju preciznu kontrolu nad amplitudom. Ovisno o cilju procesa, može se postaviti niža amplituda za blaže uvjete obrade ili se izabere visoka amplituda za destruktivnije rezultate disperzije. Hielscher industrijski sonikatori mogu dati vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Niski zahtjevi za održavanjem ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori nisu samo jednostavni za čišćenje budući da su sonotroda i reaktor jedine komponente koje su mokri dijelovi i dolaze u dodir s obrađenim materijalom. Sonotroda (također poznata kao ultrazvučni rog ili sonda) i reaktor izrađeni su od titana odnosno nehrđajućeg čelika i imaju čistu geometriju bez otvora ili mrtvih kutova.
Jedini dio koji je podložan habanju je ultrazvučna sonda, koja se može zamijeniti bez značajnih smetnji u radu. Sonotroda laboratorijskog ultrazvučnog aparata mijenja se u roku od cca. 10 min, dok promjena sonotrode industrijskog ultrazvučnog homogenizatora može trajati cca. 30-45 min.
Kontaktirajte nas sada! Naš iskusni tim rado će pružiti tehničke informacije i preporuke vezane uz proces!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 0.3 do 60L | 0.6 do 12L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Često postavljana pitanja o homogenizatorima
- Koji je princip rada homogenizatora? Homogenizator primjenjuje sile smicanja na tekućine, suspenzije i kaše. Smicanje smanjuje veličinu čestica smjesa kruto-tekuće i tekuće-tekuće i proizvodi jednoliku distribuciju veličine čestica. Homogenizatori mogu proizvesti stabilne emulzije ili disperzije.
- Koji je princip procesa homogenizacije? Temeljno načelo homogenizacije uključuje primjenu mehaničke sile, kao što su ultrazvučne vibracije i kavitacija, na heterogenu smjesu kako bi se čestice razbile u jednolično fine veličine, čime se postiže konzistentna i stabilna smjesa koja sprječava odvajanje tijekom vremena.
- Koja je primarna svrha homogenizacije? Primarna svrha homogenizacije je poboljšati stabilnost i konzistenciju proizvoda smanjenjem veličine čestica. Ovaj proces poboljšava fizikalna svojstva smjese, kao što su viskoznost, tekstura i rok trajanja, što ga čini ključnim u preradi hrane, farmaceutskim proizvodima i kozmetici.
Pročitajte više o ultrazvučnim homogenizatorima hrane! - Što je ultrazvučna homogenizacija? Ultrazvučna homogenizacija koristi visokofrekventne zvučne valove za induciranje kavitacije u tekućem mediju, što rezultira intenzivnim silama smicanja koje razgrađuju čestice na mikroskopskoj razini. Ova metoda je posebno učinkovita za stanično ometanje, disperziju nanočestica i emulzifikaciju.
- Što je sonikacija za homogenizaciju? Sonikacija za homogenizaciju uključuje primjenu ultrazvučne energije na uzorke kako bi se postiglo fino, jednolično miješanje. Ovaj je postupak učinkovit za raspršivanje, emulgiranje i smanjenje veličine čestica unutar tekućine, široko se koristi u istraživačkom i industrijskom kontekstu.
- Koje su 2 vrste metoda sonikacije? Dvije primarne vrste metoda sonikacije su izravna i neizravna sonikacija. Izravna sonikacija uključuje uranjanje sonde izravno u uzorak, dok se neizravna sonikacija događa u kadi gdje se uzorci stavljaju u posudu uronjenu u tekućinu pogodnu za sonikaciju. Izravna sonikacija obično je intenzivnija i učinkovitija za homogenizaciju od neizravne sonikacije.
Literatura / Reference
- 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.