Homogenizátorok – működési elv, felhasználás és méretnövelés

A homogenizátorok olyan keverőberendezések, amelyek mechanikai erőkkel keverik, emulgeálják, diszpergálják és oldják a folyadék–folyadék és szilárd–folyadék rendszereket. A homogenizátor típusától függően forgómozgásból származó nyírást, fúvókákat vagy nagy teljesítményű ultrahangot alkalmaznak a szilárd részecskék és folyadékcseppek szétbontásához és aprításához szükséges erők létrehozására. Tudjon meg többet a homogenizátorokról, valamint kutatási és termelési alkalmazásaikról!

Mi az a homogenizátor?

A homogenizátor olyan keverőberendezés, amelyet szilárd és folyékony részecskék aprítására és egyenletes keverék kialakítására terveztek. A homogenizátorok laboratóriumi, asztali és ipari berendezésként érhetők el, és különféle kutatási és ipari alkalmazásokhoz használhatók. A homogenizátorok jellemző alkalmazásai közé tartozik különféle anyagok, többek között részecskék, pigmentek, vegyi anyagok, növények, élelmiszerek, sejtek és szövetek keverése és szétbontása.

Lépjen kapcsolatba velünk, és tudjon meg többet a homogenizátorokról, az ultrahangos kezelésről, valamint arról, hogyan használhatja ultrahangos készülékeinket saját folyamatában!

A különféle homogenizátortípusok áttekintése

Különféle homogenizátortípusok kaphatók asztali alkalmazásokhoz és nagyüzemi ipari termeléshez. A legszélesebb körben használt típusok azonban a rotor–sztátor (kolloid) keverők, a nagynyomású homogenizátorok és az ultrahangos homogenizátorok.
A járókerekes vagy lapátos keverők forgó lapátja a keverőedény alján nagy fordulatszámmal forog, és ezáltal különféle anyagokat egyesít homogén keverékké.
Ahogy a rotor–sztátor keverő neve is jelzi, az ilyen keverő rotor- és sztátoralkatrészből áll. A rotor egy fémtengely, amely nagy fordulatszámmal forog a sztátor belsejében. A sztátor az a fémalkatrész, amely mozdulatlan marad. A rotor forgása szívóhatást hoz létre, amely a szilárd–folyadék anyagot a sztátor és a rotor közé mozgatja, ahol a szilárd anyagokat kisebb részecskeméretűre aprítja.
A nagynyomású homogenizátor (HPH) működési elve egy nagynyomású szivattyú és egy szelep (fúvóka, nyílás) használatán alapul, ami a berendezést nagyméretűvé, nehézzé és drágává teszi. A feldolgozott zagyot nagy áramlási sebességgel préselik át egy kis nyíláson, ami csökkenti a részecskeméretet, mivel a részecskéknek egy bizonyos kis méretet kell elérniük ahhoz, hogy áthaladjanak a szelepen. A HPH-k különösen szilárd anyagok feldolgozásakor hajlamosak az eltömődésre.
Az ultrahangos homogenizátorok az akusztikus kavitáció által keltett nagy nyíróerőket használják, ami számos előnyt biztosít számukra más homogenizálási technikákkal szemben. Az ultrahangos homogenizálás működési elvét és előnyeit az alábbiakban mutatjuk be.

Nagy teljesítményű ultrahang mint homogenizáló erő

Az ultrahangos homogenizátor nagy intenzitású ultrahangos rezgésekkel és kavitációval rendkívül intenzív nyíróerőket hoz létre, ezért rendkívül intenzív, nagy nyíróerejű keverőnek is nevezhető. A rendkívül intenzív, nagy nyíróerők titka az akusztikus kavitáció, amelyet nagy teljesítményű ultrahanghullámok keltenek. Az ultrahangos homogenizátor egy generátorból, amely a tápegység és a vezérlőegység szerepét tölti be, valamint egy rezgésátalakítóból áll. A rezgésátalakító piezoelektromos kerámiákat tartalmaz. Ezek a piezoelektromos kerámiák az elektromos energiát rezgéssé alakítják, mivel a piezoelektromos kristályok feszültség hatására megváltoztatják méretüket és alakjukat. Amikor az elektronikus oszcillátor frekvenciája megegyezik a piezoelektromos kvarc sajátfrekvenciájával, rezonancia lép fel. Rezonancia esetén a kvarc nagy amplitúdójú longitudinális ultrahanghullámokat hoz létre.
A létrehozott ultrahanghullámokat ezután az ultrahangos szondán (szonotróda / akusztikus koncentrátor) keresztül csatolják be a feldolgozandó közegbe. Az ultrahangos szondán mérhető amplitúdó határozza meg a folyadékba vagy zagyba továbbított ultrahanghullámok intenzitását. Az ultrahanghullámok váltakozó nagy- és kisnyomású ciklusokat hoznak létre a folyékony közegekben. A kisnyomású ciklus során a nagy intenzitású ultrahanghullámok kis vákuumbuborékokat hoznak létre a folyadékban. A nagynyomású ciklus során a kis vákuumbuborékok romboló hatással összeomlanak. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. A kavitációs buborékok implóziója nagy sebességű, akár 280 m/s sebességet is elérő folyadéksugarakat is létrehozhat, amelyek erős nyíróerőket eredményeznek. A nyíróerők aprítják a részecskéket, részecskék közötti ütközéseket okoznak, valamint mechanikusan szétbontják a cseppeket és feltárják a sejteket, miközben rendkívül hatékony anyagátadást is elősegítenek. Ezek a kavitációs erők egyenletes és homogén diszperziókat, emulziókat és szuszpenziókat hoznak létre, és ismert, hogy a kémiai reakciókat is elősegítik (úgynevezett szonokémia).

A nagy teljesítményű ultrahang által keltett akusztikus kavitáció helyileg szélsőséges körülményeket, úgynevezett szonomechanikai és szonokémiai hatásokat hoz létre. E hatások révén az ultrahangos kezelés csökkenti a szilárd és folyékony részecskék méretét, és homogén készítménnyé keveri őket.

Az ultrahangos készülékek homogenizátorként történő használatának előnyei

Az ultrahangos homogenizátorok kiemelkedőek a szilárd–folyadék (úgynevezett zagyok) és folyadék–folyadék szuszpenziók és oldatok előállításában. Mivel az ultrahangos készülékek az ultrahangos kavitáció működési elvét használják, az anyagnak nedvesnek vagy nedves fázisban kell lennie, ugyanis kavitáció csak folyadékban lép fel. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos készülék nem lenne túl hatékony száraz por keverésére, de amint a por átnedvesedik, az ultrahangos kezelés a leghatékonyabb keverési módszer. Az ultrahangos homogenizátorok jól ismertek arról, hogy még pasztákat és nagy viszkozitású anyagokat is megbízhatóan kevernek, elegyítenek és diszpergálnak. A kavitációs buborékok implóziója által keltett rendkívül intenzív erőhatások nemcsak nagyon erős nyíróerőket, hanem helyileg korlátozott magas hőmérsékleteket és nyomásokat, valamint ezek különbségeit is létrehozzák. E fizikai erők együttesen sokkal kisebb méretűre aprítják a részecskéket, mint egy hagyományos homogenizátor. Ezért a nanoméretű emulziók és diszperziók megbízható előállításához az ultrahangos homogenizátorok az előnyben részesített berendezések.

Az ultrahangos homogenizátorok alkalmazásai

Az ultrahangos homogenizátorokat széles körben használják laboratóriumi és ipari létesítményekben szilárd–folyadék és folyadék–folyadék szuszpenziók homogenizálására, a részecskeméret csökkentésére, biológiai anyagok feltárására és extrakciójára, kémiai reakciók intenzifikálására és oldható vegyületek oldására.

Ultrahangos emulgeálás

Az emulgeálás két vagy több egymással nem elegyedő folyadék összekeverésének folyamata, amelynek célja stabil vagy félig stabil keverék előállítása. Ez a két folyadék általában egy olajfázisból és egy vizes (víz-) fázisból áll. A különböző folyadékfázisok keverékének stabilizálásához emulgeálószert (felületaktív anyagot / társ-felületaktív anyagot) adnak hozzá. Az emulzió cseppmérete döntő szerepet játszik az emulzió működésében és stabilitásában. Mivel a nagy teljesítményű ultrahang szonomechanikai erőket hoz létre, amelyek szétbontják és apró cseppekké alakítják a cseppeket, az ultrahangos kezelés igen népszerű módszer a mikro- és nanoemulziók előállítására. Az ultrahangos homogenizátorok megbízható eszközök O/W és W/O emulziók, inverz emulziók, kettős emulziók (O/W/O, W/O/W), miniemulziók és Pickering-emulziók előállítására. E rugalmasságuk és megbízható emulgeálási képességük révén az ultrahangos homogenizátorokat (amelyeket emulgeálási célú használatuk esetén néha ultrahangos emulgeálóknak is neveznek) például a vegyiparban, az élelmiszeriparban, a gyógyszeriparban és az üzemanyagiparban használják hosszú távon stabil emulziók előállítására.
Kattintson az alábbi hivatkozásokra, és tudjon meg többet a következőkről: nanoemulziók és Pickering-emulziók!

Ultrahangos diszpergálás

Az ultrahangos homogenizátorok nagyon hatékonyak, ha részecskeagglomerátumok, aggregátumok, sőt elsődleges részecskék méretét kell megbízhatóan csökkenteni. Az ultrahangos homogenizátorok előnye, hogy a részecskéket kisebb és egyenletesebb méretűre tudják őrölni, függetlenül attól, hogy a folyamat célja mikro- vagy nanorészecskék előállítása. A kavitációs nyíróerők és a folyadékáramok felgyorsítják a részecskéket, így azok egymásnak ütköznek. Ezt részecskék közötti ütközésnek nevezik. Maguk a részecskék szolgálnak őrlőközegként, ami elkerülhetővé teszi az őrlőgyöngyök okozta szennyeződést és az ezt követő elválasztási folyamatot, amely hagyományos gyöngymalmok használata esetén szükséges. Mivel a részecskék a részecskék közötti ütközések során rendkívül nagy, akár 280m/sec sebességgel ütköznek egymásnak, rendkívül nagy erők hatnak rájuk, és ezért apró töredékekre törnek. A súrlódás és az erózió e részecsketöredékeknek simára csiszolt felületet és egyenletes alakot ad. A nyíróerők és a részecskék közötti ütközések együttesen előnyt biztosítanak az ultrahangos homogenizálásnak és diszpergálásnak, rendkívül homogén kolloid szuszpenziókat és diszperziókat eredményezve!
Az alábbi képsorozat az ultrahang kavitációs erőinek grafitpelyhekre gyakorolt hatását mutatja be.

Egy grafitpehely vízben végzett szonomechanikai exfoliációját szemléltető, nagy sebességű képsorozat (a-tól f-ig) a 200W teljesítményű UP200S ultrahangos készülék 3-mm szonotródájának használatával. A nyilak a hasadás (exfoliáció) helyét jelzik, ahol a kavitációs buborékok behatolnak a résbe.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Nanoanyagok diszpergálása és homogenizálása

Mind az emulziók, mind a diszperziók esetében kihívást jelent a nanoméretű keverékek előállítása. A legtöbb hagyományos homogenizálási és keverési technika, például a lapátos keverők, a gyöngymalmok, a nagynyomású homogenizátorok és más keverők képesek mikroméretű részecskéket előállítani, de nem tudják megbízhatóan nanoméretűre aprítani a cseppeket és a szilárd anyagokat. Ez főként az elégtelen intenzitásnak tulajdonítható. A lapátos keverők például nem biztosítanak elegendő nyíróhatást a részecskék nanoméretűre aprításához. A gyöngymalmok, amelyek a homogenizátorok egy másik típusát képviselik, nem tudják a szilárd anyagokat egyenletesen a gyöngyöknél (őrlőközegnél) kisebb részecskeméretűre őrölni. A hagyományos őrlőgyöngyök átlagos mérete 1 500 mm és 35 000 mm között van. További problémát jelent az őrlőközeg kopása és elhasználódása által okozott szennyeződés. Mivel az ultrahangos készülékek rendkívül nagy, ugyanakkor pontosan szabályozható nyíróerőket biztosítanak, az ultrahangos kavitáció az előnyben részesített technika nanodiszperziók és nanoemulziók megbízható előállítására laboratóriumi (R&D), kísérleti üzemi és ipari rendszerekben.

Az ultrahangos homogenizálási folyamatok méretnövelése

A laboratóriumi ultrahangos homogenizátorról kísérleti üzemi ultrahangos készülékre, majd a kísérleti üzemi rendszerről teljes termelési méretű ultrahangos homogenizátorra történő méretnövelés teljesen lineárisan végezhető! Minden fontos folyamatparamétert, például az amplitúdót, a nyomást, a hőmérsékletet és a kezelési időt állandó értéken tartanak; csak az ultrahangos szonda felületét és a szondát energiával ellátó meghajtóként szolgáló ultrahangos készüléket méretezik nagyobb, nagyobb teljesítményű egységekre. Az ultrahangos homogenizálási folyamatok lineáris méretnövelhetősége lehetővé teszi, hogy a nagyüzemi termelésben ugyanolyan kiváló minőségű eredményeket érjenek el, mint laboratóriumi és kísérleti üzemi körülmények között.

Találja meg a folyamatához legmegfelelőbb ultrahangos homogenizátort!

A Hielscher Ultrasonics hosszú évek tapasztalatával rendelkező partnere az ultrahangos homogenizátorok területén. Minden Hielscher ultrahangos készüléket németországi központunkban tervezünk, gyártunk és tesztelünk, mielőtt kiszállítanánk őket ügyfeleinknek a világ minden tájára. A Hielscher ultrahangos homogenizátorok kiváló minőségű készülékek, amelyeket állandó nagy teljesítmény, megbízhatóság, robusztusság és felhasználóbarát működés jellemez. Az ultrahangos homogenizálási technológia műszaki fejlettsége versenyelőnyöket biztosít a Hielscher berendezések felhasználóinak, amelyek saját iparáguk piacvezetőivé teszik őket. A laboratóriumi és asztali homogenizátoroktól a kísérleti üzemi rendszereken át a kereskedelmi termeléshez készült, teljes ipari méretű ultrahangos homogenizátorokig terjedő széles termékválasztékával a Hielscher az Ön igényeinek megfelelő ideális ultrahangos keverőrendszert kínálja. A sokféle tartozék lehetővé teszi az egyéni igényeknek megfelelő ideális ultrahangos homogenizátorkonfiguráció kialakítását.
Ismertesse velünk folyamatának követelményeit és specifikációit – örömmel ajánljuk az alkalmazásához legmegfelelőbb és leghatékonyabb ultrahangos homogenizátort!

Nagy hatékonyság ultrahangos homogenizátorokkal

A rendkívüli folyamathatékonyságnak, az észszerű beruházási költségeknek, a nagyon magas energiahatékonyságnak, valamint az alacsony munkaerő- és karbantartási költségeknek köszönhetően a Hielscher ultrahangos homogenizátorok felülmúlják a hagyományos homogenizálási technikákat, és gyors beruházásmegtérülést (RoI) biztosítanak. Az ultrahangos homogenizátor gyakran néhány hónapon belül megtérül.

Nagy teljesítményű ultrahang ipari homogenizáláshoz

Az amplitúdó az ultrahanggal végzett homogenizálási folyamatok legfontosabb folyamatparamétere. Minden Hielscher ultrahangos készülék lehetővé teszi az amplitúdó pontos szabályozását. A folyamat céljától függően alacsonyabb amplitúdó állítható be a kíméletesebb kezelési körülményekhez, vagy magas amplitúdó választható az erőteljesebb roncsolással járó diszpergálási eredményekhez. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek nagyon magas amplitúdókat képesek biztosítani. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen, folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még magasabb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák is rendelkezésre állnak.

Az ultrahangos homogenizátorok csekély karbantartási igénye

Az ultrahangos homogenizátorok emellett könnyen tisztíthatók, mivel a szonotróda és a reaktor az egyetlen nedvesített alkatrész, amely érintkezik a feldolgozott anyaggal. A szonotróda (más néven ultrahangos akusztikus koncentrátor vagy szonda) titánból, a reaktor pedig rozsdamentes acélból készül, és egyszerű geometriájukban nincsenek nyílások vagy holtterek.
Az egyetlen kopásnak és elhasználódásnak kitett alkatrész az ultrahangos szonda, amely a működés jelentős megszakítása nélkül cserélhető. Egy laboratóriumi ultrahangos készülék szonotródája kb. 10 min alatt cserélhető ki, míg egy ipari ultrahangos homogenizátor szonotródájának cseréje kb. 30–45 min időt vehet igénybe.

Lépjen kapcsolatba velünk most! Tapasztalt csapatunk örömmel nyújt műszaki tájékoztatást és a folyamatra vonatkozó ajánlásokat!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: