Homogenizatori – načelo rada, primjena i povećanje razmjera
Homogenizatori su vrsta miješalica koje primjenjuju mehaničke sile za miješanje, emulgiranje, dispergiranje i otapanje sustava tekuće–tekuće i kruto–tekuće. Ovisno o modelu homogenizatora, rotacijsko smicanje, mlaznice ili ultrazvuk velike snage upotrebljavaju se za stvaranje potrebnih sila za razgradnju i usitnjavanje krutih čestica te kapljica tekućine. Saznajte više o homogenizatorima i njihovoj primjeni u istraživanju i proizvodnji!
Što je homogenizator?
Homogenizator je uređaj iz skupine uređaja za miješanje namijenjenih usitnjavanju krutih i tekućih čestica radi dobivanja jednolične smjese. Homogenizatori su dostupni kao laboratorijska, stolna i industrijska oprema koja se upotrebljava za različite primjene u istraživanju i industriji. Tipične primjene homogenizatora uključuju miješanje i razgradnju različitih materijala, među ostalim čestica, pigmenata, kemikalija, biljaka, hrane, stanica i tkiva.
Obratite nam se kako biste saznali više o homogenizatorima, sonikaciji i tome kako možete upotrebljavati naše sonikatore u svojem procesu!
MultiSonoReactor MSR-4 industrijski je protočni homogenizator s ultrazvučnim uređajima snage 16.000 vata za zahtjevne primjene kao što su nanodisperzije i nanoemulzije.
Pregled različitih vrsta homogenizatora
Različite vrste homogenizatora komercijalno su dostupne za primjenu u stolnim sustavima i industrijskoj proizvodnji velikih razmjera. Međutim, miješalice s rotorom i statorom (koloidne miješalice), visokotlačni homogenizatori i ultrazvučni homogenizatori najčešće su upotrebljavani modeli.
Miješalice s impelerom ili lopaticama imaju rotirajuću lopaticu koja se velikom brzinom okreće na dnu posude za miješanje i tako povezuje različite materijale u homogenu smjesu.
Kao što sam naziv miješalice s rotorom i statorom upućuje, takva miješalica ima rotorsku i statorsku komponentu. Rotor je metalna osovina koja se velikim brzinama okreće unutar statora. Stator je metalni dio koji miruje. Rotacija rotora stvara usisni učinak koji pomiče materijal kruto–tekuće između statora i rotora, gdje se krute tvari usitnjavaju na manje čestice.
Načelo rada visokotlačnog homogenizatora (HPH) temelji se na upotrebi visokotlačne pumpe i ventila (mlaznice, otvora), zbog čega je oprema velika, teška i skupa. Obrađivana gusta suspenzija potiskuje se velikom brzinom strujanja kroz mali otvor, čime se smanjuje veličina čestica jer čestice moraju biti dovoljno male da bi prošle kroz ventil. HPH uređaji skloni su začepljenju, osobito pri obradi krutih tvari.
Ultrazvučni homogenizatori upotrebljavaju snažne smične sile koje nastaju akustičnom kavitacijom, što im daje različite prednosti u odnosu na druge tehnike homogenizacije. Načelo rada i prednosti ultrazvučne homogenizacije prikazani su u nastavku.
Ultrazvuk velike snage kao sila za homogenizaciju
Ultrazvučni homogenizator koristi ultrazvučne vibracije visokog intenziteta i kavitaciju za stvaranje vrlo intenzivnih smičnih sila te se stoga može nazvati miješalicom s iznimno intenzivnim smicanjem. Tajna iznimno intenzivnih smičnih sila jest akustična kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi velike snage. Ultrazvučni homogenizator ima generator, koji služi kao jedinica za napajanje i upravljanje, te pretvornik. Pretvornik sadrži piezoelektričnu keramiku. Ta piezoelektrična keramika pretvara električnu energiju u titranje jer piezoelektrični kristali mijenjaju veličinu i oblik kada se na njih primijeni napon. Kada je frekvencija elektroničkog oscilatora jednaka vlastitoj frekvenciji piezoelektričnog kvarca, dolazi do rezonancije. U uvjetima rezonancije kvarc stvara longitudinalne ultrazvučne valove velike amplitude.
Nastali ultrazvučni valovi zatim se putem ultrazvučne sonde (sonotrode / roga) prenose u procesni medij. Amplituda na ultrazvučnoj sondi određuje intenzitet ultrazvučnih valova koji se prenose u tekućinu ili suspenziju čvrstih čestica. Ultrazvučni valovi u tekućim medijima stvaraju izmjenične cikluse visokog i niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće u tekućini. Tijekom ciklusa visokog tlaka mali vakuumski mjehurići destruktivno kolabiraju. Ta se pojava naziva kavitacija. Implozija kavitacijskih mjehurića može također stvoriti mlazove tekućine velike brzine do 280 m/s, što rezultira snažnim smičnim silama. Smične sile lome čestice, uzrokuju međučestične sudare te mehanički razbijaju kapljice i razaraju stanice, istodobno potičući vrlo učinkovit prijenos mase. Te kavitacijske sile proizvode ujednačene i homogene disperzije, emulzije i suspenzije, a poznato je i da potiču kemijske reakcije (tzv. sonokemiju).
Akustična kavitacija (koju stvara ultrazvuk velike snage) lokalno stvara ekstremne uvjete, takozvane sonomehaničke i sonokemijske učinke. Zbog tih učinaka sonikacija smanjuje veličinu čvrstih i tekućih čestica te ih miješa u homogenu formulaciju.
Ultrazvučna kavitacija na sondi tipa cascatrode ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT (1000 vata, 20kHz) u staklenom reaktoru. Crveno svjetlo odozdo koristi se za poboljšanje vidljivosti kavitacije.
Prednosti upotrebe sonikatora kao homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori nadmašuju druge uređaje kada je riječ o proizvodnji suspenzija i otopina čvrsto–tekuće (tzv. suspenzija čvrstih čestica) i tekuće–tekuće. Budući da ultrazvučni uređaji rade na načelu ultrazvučne kavitacije, materijal treba biti mokar ili u mokroj fazi jer se kavitacija javlja samo u tekućini. To znači da ultrazvučni uređaj ne bi bio vrlo učinkovit pri miješanju suhog praha, ali čim se prah navlaži, sonikacija je najučinkovitija metoda miješanja. Ultrazvučni homogenizatori poznati su po pouzdanom miješanju, sjedinjavanju i dispergiranju čak i pasti i vrlo viskoznih materijala. Iznimno intenzivne sile uzrokovane implozijom kavitacijskih mjehurića stvaraju ne samo vrlo snažne smične sile nego i lokalno ograničene visoke temperature i tlakove te njihove razlike. Ta kombinacija fizikalnih sila razbija čestice na mnogo manje veličine nego konvencionalni homogenizator. Stoga su ultrazvučni homogenizatori preferirana oprema za pouzdanu proizvodnju emulzija i disperzija nanometarskih veličina.
- izvrsna učinkovitost
- mogućnost isporuke visoko usmjerene energije
- vrhunski rezultati u mikrometarskom i nanometarskom području
- za emulzije i disperzije mikrometarskih i nanometarskih veličina
- bilo koji volumen od mL do tons/hr
- šaržno i protočno
- za jedan prolaz i recirkulaciju
- precizna kontrola procesa
- jednostavno rukovanje
- jednostavno čišćenje
- mali zahtjevi za održavanje
Primjene ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori široko se primjenjuju u laboratorijskim i industrijskim postrojenjima za homogenizaciju suspenzija kruto–tekuće i tekuće–tekuće, smanjenje veličine čestica, razaranje i ekstrakciju biološkog materijala, intenziviranje kemijskih reakcija i otapanje topljivih spojeva.
Ultrazvučno emulgiranje
Emulgiranje je postupak miješanja dviju ili više međusobno nemješljivih tekućina radi pripreme stabilne ili polustabilne smjese. Općenito, te dvije tekućine čine uljnu fazu i vodenu fazu. Kako bi se stabilizirala smjesa različitih tekućih faza, dodaje se emulgator (surfaktant / kosurfaktant). Veličina kapljica emulzije ima ključnu ulogu u funkcionalnosti i stabilnosti emulzije. Budući da ultrazvuk velike snage stvara sonomehaničke sile koje razbijaju kapljice i usitnjavaju ih u vrlo sitne kapljice, sonikacija je vrlo popularna metoda za proizvodnju mikroemulzija i nanoemulzija. Ultrazvučni homogenizatori pouzdan su alat za proizvodnju emulzija O/W i W/O, inverznih emulzija, dvostrukih emulzija (O/W/O, W/O/W), miniemulzija te Pickeringovih emulzija. Zahvaljujući toj fleksibilnosti i pouzdanoj sposobnosti emulgiranja, ultrazvučni homogenizatori (koji se pri primjeni za emulgiranje ponekad nazivaju i ultrazvučnim emulgatorima) upotrebljavaju se, primjerice, u kemijskoj, prehrambenoj i farmaceutskoj industriji te industriji goriva za proizvodnju dugoročno stabilnih emulzija.
Kliknite na sljedeće poveznice kako biste saznali više o nanoemulzijama i Pickeringovim emulzijama!
Ultrazvučno dispergiranje
Ultrazvučni homogenizatori vrlo su učinkoviti kada je potrebno pouzdano smanjiti veličinu aglomerata, agregata, pa čak i primarnih čestica. Prednost ultrazvučnih homogenizatora jest njihova sposobnost mljevenja čestica do manjih i ujednačenijih veličina, neovisno o tome jesu li ciljani rezultat postupka mikročestice ili nanočestice. Kavitacijske smične sile i strujanje tekućine ubrzavaju čestice tako da se one međusobno sudaraju. To je poznato kao međučestični sudar. Same čestice djeluju kao medij za mljevenje, čime se izbjegavaju kontaminacija kuglicama za mljevenje i naknadni postupak odvajanja, koji je potreban pri uporabi konvencionalnih kugličnih mlinova. Budući da se čestice međusobno sudaraju pri vrlo velikim brzinama do 280m/sec, na njih djeluju iznimno velike sile, zbog čega se razbijaju u vrlo sitne fragmente. Trenje i erozija daju tim fragmentima čestica poliranu površinu i ujednačen oblik. Kombinacija smičnih sila i međučestičnih sudara daje ultrazvučnoj homogenizaciji i dispergiranju prednost jer omogućuje dobivanje vrlo homogenih koloidnih suspenzija i disperzija!
Niz slika u nastavku prikazuje djelovanje kavitacijskih sila ultrazvuka na grafitne listiće.
Niz snimaka snimljenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuje sonomehaničko raslojavanje grafitnog listića u vodi pomoću ultrazvučnog uređaja UP200S snage 200W sa sonotrodom promjera 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (raslojavanja), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u nastali rascjep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Dispergiranje i homogenizacija nanomaterijala
Priprema smjesa s česticama nanometarskih veličina zahtjevan je zadatak i za emulzije i za disperzije. Većina konvencionalnih tehnika homogenizacije i miješanja, poput miješalica s lopaticama, mlinova s kuglicama, visokotlačnih homogenizatora i drugih miješalica, može proizvesti čestice mikrometarskih veličina, ali ne može pouzdano usitniti kapljice i krute tvari do nanometarskih veličina. To je uglavnom posljedica nedovoljnog intenziteta. Primjerice, miješalice s lopaticama ne stvaraju dovoljno snažno smično djelovanje za usitnjavanje čestica do nanometarskih veličina. Mlinovi s kuglicama, druga vrsta homogenizatora, ne mogu ravnomjerno samljeti krute tvari na veličinu čestica manju od samih kuglica (medija za mljevenje). Konvencionalne kuglice za mljevenje imaju prosječnu veličinu između 1.500 mm i 35.000 mm. Drugi je problem onečišćenje zbog trošenja medija za mljevenje. Budući da ultrazvučni uređaji stvaraju iznimno velike, a ipak precizno podesive smične sile, ultrazvučna kavitacija preferirana je tehnika za pouzdanu proizvodnju nanodisperzija i nanoemulzija u laboratorijskim (istraživanje i razvoj), pilotnim i industrijskim sustavima.
Ultrazvučne disperzije pokazuju ujednačenu raspodjelu veličine čestica s ravnomjerno usitnjenim česticama. Krivulje prikazuju raspodjelu čestica silicijeva dioksida prije obrade ultrazvukom (zelena krivulja) i nakon ultrazvučnog dispergiranja (crvena krivulja).
Povećanje mjerila procesa ultrazvučne homogenizacije
Pri povećanju mjerila s laboratorijskog ultrazvučnog homogenizatora na pilotni ultrazvučni uređaj te s pilotnog sustava na ultrazvučni homogenizator za proizvodnju u punom mjerilu povećanje se može provesti potpuno linearno! Svi važni procesni parametri, poput amplitude, tlaka, temperature i vremena obrade, održavaju se konstantnima, a povećavaju se samo površina ultrazvučne sonde i snaga ultrazvučnog uređaja koji služi kao pogon za dovod energije sondi, uz primjenu većih, snažnijih jedinica. Linearna skalabilnost procesa ultrazvučne homogenizacije omogućuje postizanje jednako visokokvalitetnih rezultata u velikoj proizvodnji kao u laboratorijskim i pilotnim sustavima.
Pronađite najprikladniji ultrazvučni homogenizator za svoj proces!
Hielscher Ultrasonics vaš je partner s dugogodišnjim iskustvom u području ultrazvučnih homogenizatora. Svi ultrazvučni uređaji Hielscher projektiraju se, proizvode i ispituju u našem sjedištu u Njemačkoj prije nego što ih isporučimo kupcima diljem svijeta. Ultrazvučni homogenizatori Hielscher visokokvalitetni su uređaji koje odlikuju stalno visoke radne značajke, pouzdanost, robusnost i jednostavnost uporabe. Tehnička sofisticiranost tehnologije ultrazvučne homogenizacije korisnicima opreme Hielscher pruža konkurentske prednosti koje ih čine tržišnim liderima u njihovoj industriji. Uz širok raspon proizvoda, od laboratorijskih i stolnih homogenizatora, preko pilotnih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih homogenizatora za komercijalnu proizvodnju, Hielscher ima idealan sustav ultrazvučnog miješanja za vaše zahtjeve. Raznovrsna dodatna oprema omogućuje idealnu konfiguraciju ultrazvučnog homogenizatora – prilagođenu individualnim potrebama.
Recite nam svoje procesne zahtjeve i specifikacije – rado ćemo vam preporučiti najprikladniji i najučinkovitiji ultrazvučni homogenizator za vašu primjenu!
Visoka učinkovitost uz uporabu ultrazvučnih homogenizatora
Zahvaljujući iznimnoj učinkovitosti procesa, razumnim investicijskim troškovima, vrlo visokoj energetskoj učinkovitosti te niskim troškovima rada i održavanja, ultrazvučni homogenizatori Hielscher nadmašuju konvencionalne tehnike homogenizacije i ostvaruju brz RoI (povrat ulaganja). Često se ultrazvučni homogenizator isplati u roku od nekoliko mjeseci.
Ultrazvuk velike snage za industrijsku homogenizaciju
Amplituda je najvažniji procesni parametar u procesima homogenizacije koji se temelje na ultrazvuku. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji omogućuju preciznu kontrolu amplitude. Ovisno o cilju procesa, može se postaviti niža amplituda za blaže uvjete obrade ili odabrati visoka amplituda za snažnije razaranje pri dispergiranju. Hielscher industrijski sonikatori mogu postići vrlo visoke amplitude. Kontinuirani rad s amplitudama do 200µm lako je ostvariv u režimu rada 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Mali zahtjevi za održavanjem ultrazvučnih homogenizatora
Ultrazvučni homogenizatori ujedno se lako čiste jer su sonotroda i reaktor jedine komponente koje se moče i dolaze u dodir s obrađivanim materijalom. Sonotroda (poznata i kao ultrazvučni rog ili sonda) izrađena je od titana, a reaktor od nehrđajućeg čelika te imaju jednostavnu geometriju bez otvora ili mrtvih kutova.
Jedini dio koji je podložan trošenju jest ultrazvučna sonda, koja se može zamijeniti bez znatnog prekida rada. Sonotroda laboratorijskog ultrazvučnog uređaja mijenja se unutar približno 10 min, dok zamjena sonotrode industrijskog ultrazvučnog homogenizatora može trajati približno 30–45 min.
Obratite nam se sada! Naš iskusni tim rado će vam pružiti tehničke informacije i preporuke povezane s procesom!
Tablica u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/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 |
| nije primjenjivo | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nije primjenjivo | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
Često postavljana pitanja o homogenizatorima
- Koji je princip rada homogenizatora? Homogenizator primjenjuje smične sile na tekućine, suspenzije i guste suspenzije. Smicanje smanjuje veličinu čestica u smjesama kruto–tekuće i tekuće–tekuće te stvara ujednačene raspodjele veličine čestica. Homogenizatori mogu proizvesti stabilne emulzije ili disperzije.
- Koji je princip procesa homogenizacije? Temeljni princip homogenizacije uključuje primjenu mehaničke sile, poput ultrazvučnih vibracija i kavitacije, na heterogenu smjesu kako bi se čestice usitnile do ujednačene male veličine, čime se postiže jednolika i stabilna smjesa koja sprječava razdvajanje tijekom vremena.
- Koja je glavna svrha homogenizacije? Glavna je svrha homogenizacije poboljšati stabilnost i ujednačenost proizvoda smanjenjem veličine čestica. Ovaj proces poboljšava fizička svojstva smjese, poput viskoznosti, teksture i roka trajanja, zbog čega je ključan u preradi hrane te u farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji.
Pročitajte više o ultrazvučnim homogenizatorima za hranu! - Što je ultrazvučna homogenizacija? Ultrazvučna homogenizacija koristi visokofrekventne zvučne valove za izazivanje kavitacije u tekućem mediju, što rezultira intenzivnim smičnim silama koje usitnjavaju čestice na mikroskopskoj razini. Ova je metoda osobito učinkovita za razaranje stanica, dispergiranje nanočestica i emulgiranje.
- Što je sonikacija za homogenizaciju? Sonikacija za homogenizaciju uključuje primjenu ultrazvučne energije na uzorke kako bi se postiglo fino, ujednačeno miješanje. Ovaj je proces učinkovit za dispergiranje, emulgiranje i smanjenje veličine čestica unutar fluida te se široko primjenjuje u istraživanju i industriji.
- Koje su 2 vrste metoda sonikacije? Dvije glavne vrste metoda sonikacije jesu izravna i neizravna sonikacija. Izravna sonikacija uključuje uranjanje sonde izravno u uzorak, dok se neizravna sonikacija odvija u kupelji u kojoj se uzorci nalaze u posudi uronjenoj u tekućinu prikladnu 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.