Homogenizer – Prinsip Kerja, Penggunaan, dan Peningkatan Skala
Homogenizer adalah jenis pencampur yang menerapkan gaya mekanis untuk mencampur, mengemulsikan, mendispersikan, dan melarutkan sistem cair-cair dan padat-cair. Bergantung pada model homogenizer, geser rotasional, nosel, atau ultrasonik berdaya tinggi digunakan untuk menghasilkan gaya yang diperlukan untuk mendisintegrasikan dan memecah partikel padat serta tetesan cairan. Pelajari lebih lanjut tentang perangkat homogenizer dan aplikasinya dalam penelitian dan produksi!
Apa Itu Homogenizer?
Homogenizer adalah kelompok perangkat pencampur yang dirancang untuk memecah partikel, baik padat maupun cair, sehingga membentuk campuran yang seragam. Homogenizer tersedia sebagai peralatan laboratorium, meja, dan industri yang digunakan untuk berbagai aplikasi dalam penelitian dan industri. Aplikasi umum homogenizer mencakup pencampuran dan disintegrasi berbagai bahan, termasuk partikel, pigmen, bahan kimia, tumbuhan, makanan, sel, jaringan, dan lainnya.
Silakan hubungi kami untuk mempelajari lebih lanjut tentang homogenizer, sonikasi, dan cara menggunakan sonikator kami untuk proses Anda!
MultiSonoReactor MSR-4 adalah homogenizer inline industri dengan sonikator berdaya 16.000 watt untuk aplikasi yang menuntut kinerja tinggi seperti nanodispersi dan nanoemulsi.
Gambaran Umum Berbagai Jenis Homogenizer
Berbagai jenis homogenizer tersedia secara komersial untuk penggunaan skala meja dan produksi industri berskala besar. Namun, pencampur rotor/stator (koloid), homogenizer bertekanan tinggi, dan homogenizer ultrasonik merupakan model yang paling banyak digunakan.
Pencampur impeler atau bilah memiliki bilah berputar yang berputar dengan kecepatan tinggi di dasar wadah pencampur, sehingga menggabungkan berbagai bahan menjadi campuran homogen.
Seperti yang tersirat dari namanya, pencampur rotor/stator memiliki komponen rotor dan stator. Rotor adalah poros logam yang berputar dengan kecepatan tinggi di dalam stator. Stator adalah bagian logam yang tetap diam. Putaran rotor menciptakan efek isap yang menggerakkan bahan padat-cair di antara stator dan rotor, tempat padatan diperkecil ukuran partikelnya.
Prinsip kerja homogenizer bertekanan tinggi (HPH) didasarkan pada penggunaan pompa bertekanan tinggi dan katup (nosel, orifis), yang menjadikan peralatan ini besar, berat, dan mahal. Sluri yang diproses dipaksa mengalir dengan kecepatan aliran tinggi melalui orifis kecil, yang memperkecil ukuran partikel karena partikel harus memiliki ukuran tertentu yang cukup kecil agar dapat melewati katup. HPH rentan mengalami penyumbatan, terutama saat memproses padatan.
Homogenizer ultrasonik menggunakan gaya geser tinggi yang dihasilkan oleh kavitasi akustik, yang memberikan berbagai keunggulan dibandingkan teknik homogenisasi lainnya. Prinsip kerja dan manfaat homogenisasi ultrasonik disajikan di bawah ini.
Ultrasonik Berdaya Tinggi sebagai Gaya Homogenisasi
Homogenizer ultrasonik menggunakan getaran ultrasonik berintensitas tinggi dan kavitasi untuk menghasilkan gaya geser yang sangat intens, sehingga dapat disebut sebagai pencampur geser tinggi berintensitas supertinggi. Rahasia di balik gaya geser tinggi yang sangat intens ini adalah kavitasi akustik, yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik berdaya tinggi. Homogenizer ultrasonik memiliki generator, yang merupakan unit catu daya dan kontrol, serta transduser. Transduser mengandung keramik piezoelektrik. Keramik piezoelektrik ini mengubah energi listrik menjadi osilasi, karena kristal piezoelektrik berubah ukuran dan bentuk saat tegangan diterapkan. Ketika frekuensi osilator elektronik sama dengan frekuensi alami kuarsa piezoelektrik, resonansi terjadi. Dalam kondisi resonansi, kuarsa menghasilkan gelombang ultrasonik longitudinal dengan amplitudo besar.
Gelombang ultrasonik yang dihasilkan kemudian dikopel melalui probe ultrasonik (sonotrode / horn) ke dalam medium proses. Amplitudo pada probe ultrasonik menentukan intensitas gelombang ultrasonik yang ditransmisikan ke dalam cairan atau sluri. Gelombang ultrasonik menghasilkan siklus tekanan tinggi dan tekanan rendah secara bergantian dalam medium cair. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi menghasilkan gelembung vakum kecil dalam cairan. Selama siklus tekanan tinggi, gelembung vakum kecil runtuh secara destruktif. Fenomena ini disebut kavitasi. Implosi gelembung kavitasi juga dapat menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan tinggi hingga 280 m/s, yang menghasilkan gaya geser kuat. Gaya geser memecah partikel, menyebabkan tumbukan antarpartikel, serta mendisrupsi tetesan dan sel secara mekanis, sekaligus mendorong perpindahan massa yang sangat efisien. Gaya kavitasi ini menghasilkan dispersi, emulsi, dan suspensi yang seragam dan homogen serta diketahui mendorong reaksi kimia (disebut sonokimia).
Kavitasi akustik (yang dihasilkan oleh ultrasonik berdaya tinggi) menciptakan kondisi ekstrem secara lokal, yang disebut efek sonomekanis dan sonokimia. Karena efek ini, sonikasi memperkecil partikel padat dan cair serta mencampurnya menjadi formulasi homogen.
Kavitasi ultrasonik pada probe cascatrode dari sonikator UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) di dalam reaktor kaca. Cahaya merah dari bawah digunakan agar kavitasi lebih mudah terlihat.
Keunggulan Penggunaan Sonikator sebagai Homogenizer
Homogenizer ultrasonik unggul dalam produksi suspensi dan larutan padat-cair (disebut sluri) serta cair-cair. Karena sonikator menggunakan prinsip kerja kavitasi ultrasonik, bahan harus basah atau berada dalam fase basah, sebab kavitasi hanya terjadi dalam cairan. Ini berarti sonikator tidak akan sangat efisien untuk mencampur bubuk kering, tetapi segera setelah bubuk dibasahi, sonikasi menjadi metode pencampuran yang paling efisien. Homogenizer ultrasonik dikenal mampu mencampur, memadukan, dan mendispersikan secara andal, bahkan untuk pasta dan bahan dengan viskositas tinggi. Gaya yang luar biasa intens akibat implosi gelembung kavitasi tidak hanya menciptakan gaya geser tinggi yang sangat kuat, tetapi juga suhu dan tekanan tinggi yang terbatas secara lokal beserta perbedaan suhu dan tekanannya. Kombinasi gaya fisik ini memecah partikel menjadi ukuran yang jauh lebih kecil daripada homogenizer konvensional. Oleh karena itu, homogenizer ultrasonik merupakan peralatan pilihan untuk produksi emulsi dan dispersi berukuran nano secara andal.
- efisiensi yang sangat baik
- mampu menyalurkan energi yang sangat terfokus
- hasil unggul pada ukuran mikron dan nano
- untuk emulsi dan dispersi berukuran mikron dan nano
- volume berapa pun dari mL hingga ton/jam
- batch dan inline
- untuk satu lintasan dan resirkulasi
- kontrol proses yang presisi
- pengoperasian sederhana
- mudah dibersihkan
- kebutuhan perawatan rendah
Aplikasi Homogenizer Ultrasonik
Homogenizer ultrasonik banyak digunakan di fasilitas laboratorium dan industri untuk menghomogenkan suspensi padat-cair dan cair-cair, memperkecil ukuran partikel, mendisrupsi dan mengekstraksi bahan biologis, mengintensifkan reaksi kimia, serta melarutkan senyawa yang dapat larut.
Emulsifikasi Ultrasonik
Emulsifikasi adalah proses mencampur dua atau lebih cairan yang tidak saling bercampur untuk menghasilkan campuran yang stabil atau semistabil. Secara umum, kedua cairan ini terdiri atas fase minyak dan fase akuatik (air). Untuk menstabilkan campuran fase cair yang berbeda, ditambahkan pengemulsi (surfaktan / kosurfaktan). Ukuran tetesan emulsi berperan penting dalam fungsionalitas dan stabilitas emulsi. Karena ultrasonik berdaya tinggi menciptakan gaya sonomekanis yang memecah tetesan dan memperkecilnya menjadi tetesan sangat kecil, sonikasi merupakan metode yang sangat populer untuk produksi emulsi berukuran mikron dan nano. Homogenizer ultrasonik merupakan alat yang andal untuk produksi emulsi O/W dan W/O, emulsi invers, emulsi ganda (O/W/O, W/O/W), miniemulsi, serta emulsi Pickering. Berkat fleksibilitas ini dan kemampuan emulsifikasi yang andal, homogenizer ultrasonik (terkadang juga disebut pengemulsi ultrasonik saat digunakan untuk emulsifikasi) digunakan, misalnya, dalam industri kimia, makanan, farmasi, dan bahan bakar untuk menghasilkan emulsi yang stabil dalam jangka panjang.
Klik tautan berikut untuk mempelajari lebih lanjut tentang nanoemulsi dan emulsi Pickering!
Dispersi Ultrasonik
Homogenizer ultrasonik sangat efektif ketika ukuran aglomerat partikel, agregat, dan bahkan partikel primer harus diperkecil secara andal. Keunggulan homogenizer ultrasonik adalah kemampuannya menggiling partikel hingga ukuran yang lebih kecil dan lebih seragam, baik partikel mikron maupun nanopartikel yang ditargetkan sebagai hasil proses. Gaya geser kavitasi dan aliran cairan mempercepat partikel sehingga saling bertumbukan. Ini dikenal sebagai tumbukan antarpartikel. Partikel itu sendiri bertindak sebagai media penggilingan, sehingga menghindari kontaminasi oleh manik penggiling dan proses pemisahan selanjutnya yang diperlukan ketika penggiling manik konvensional digunakan. Karena partikel saling bertumbukan dengan kecepatan sangat tinggi hingga 280m/sec, gaya yang luar biasa tinggi bekerja pada partikel, sehingga partikel pecah menjadi fragmen sangat kecil. Gesekan dan erosi memberikan permukaan yang halus dan bentuk yang seragam pada fragmen partikel tersebut. Kombinasi gaya geser dan tumbukan antarpartikel memberikan keunggulan pada homogenisasi dan dispersi ultrasonik dalam menghasilkan suspensi dan dispersi koloid yang sangat homogen!
Rangkaian gambar di bawah ini memperlihatkan gaya kavitasi ultrasonik pada serpihan grafit.
Rangkaian bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang menggambarkan eksfoliasi sonomekanis serpihan grafit dalam air menggunakan UP200S, sonikator 200W dengan sonotrode 3-mm. Panah menunjukkan lokasi pembelahan (eksfoliasi) dengan gelembung kavitasi yang menembus celah pembelahan.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Dispersi dan Homogenisasi Nanomaterial
Untuk emulsi maupun dispersi, pembuatan campuran berukuran nano merupakan tugas yang menantang. Sebagian besar teknik homogenisasi dan pencampuran konvensional seperti pencampur bilah, penggiling manik, homogenizer bertekanan tinggi, dan pencampur lainnya mampu menghasilkan partikel berukuran mikron, tetapi tidak dapat secara andal memecah tetesan dan padatan hingga ukuran nano. Hal ini terutama disebabkan oleh intensitas yang tidak memadai. Misalnya, pencampur bilah tidak memberikan gaya geser yang cukup untuk memecah partikel hingga ukuran nano. Penggiling manik, jenis homogenizer lainnya, tidak dapat menggiling padatan secara seragam hingga ukuran partikel yang lebih halus daripada manik (media penggiling) itu sendiri. Manik penggiling konvensional memiliki ukuran rata-rata antara 1.500 mm – 35.000 mm. Masalah lainnya adalah kontaminasi akibat keausan media penggilingan. Karena sonikator menghasilkan gaya geser yang luar biasa tinggi namun dapat dikontrol secara presisi, kavitasi ultrasonik merupakan teknik pilihan untuk produksi nanodispersi dan nanoemulsi secara andal dalam instalasi laboratorium (R&D), percontohan, dan industri.
Dispersi ultrasonik menunjukkan distribusi ukuran partikel yang seragam dengan partikel yang diperkecil secara homogen. Kurva menunjukkan distribusi partikel silika sebelum perlakuan ultrasonik (kurva hijau) dan setelah dispersi ultrasonik (kurva merah).
Peningkatan Skala Proses Homogenisasi Ultrasonik
Saat meningkatkan skala dari homogenizer ultrasonik laboratorium ke sonikator percontohan, dan dari sistem percontohan ke homogenizer ultrasonik produksi skala penuh, peningkatan skala dapat diterapkan secara sepenuhnya linear! Semua parameter proses penting seperti amplitudo, tekanan, suhu, dan waktu pemrosesan dipertahankan konstan; hanya luas permukaan probe ultrasonik dan sonikator sebagai penggerak yang memasok energi ke probe yang ditingkatkan skalanya menjadi unit yang lebih besar dan lebih bertenaga. Kemampuan peningkatan skala secara linear pada proses homogenisasi ultrasonik memungkinkan produksi berskala besar menghasilkan kualitas tinggi yang sama seperti pada skala laboratorium dan percontohan.
Temukan Homogenizer Ultrasonik yang Paling Sesuai untuk Proses Anda!
Hielscher Ultrasonics adalah mitra Anda yang berpengalaman selama bertahun-tahun dalam homogenizer ultrasonik. Semua sonikator Hielscher dirancang, diproduksi, dan diuji di kantor pusat kami di Jerman sebelum dikirim kepada pelanggan kami di seluruh dunia. Homogenizer ultrasonik Hielscher merupakan perangkat berkualitas tinggi yang dicirikan oleh kinerja tinggi yang konsisten, keandalan, ketangguhan, dan kemudahan penggunaan. Kecanggihan teknis teknologi homogenisasi ultrasonik memberikan keunggulan kompetitif bagi pengguna peralatan Hielscher, yang menjadikan mereka pemimpin pasar di industrinya. Dengan rangkaian produk yang luas, mulai dari homogenizer laboratorium dan meja, sistem percontohan, hingga homogenizer ultrasonik industri skala penuh untuk produksi komersial, Hielscher memiliki sistem pencampuran ultrasonik yang ideal untuk kebutuhan Anda. Beragam aksesori memungkinkan konfigurasi homogenizer ultrasonik yang ideal – sesuai dengan kebutuhan masing-masing.
Sampaikan persyaratan dan spesifikasi proses Anda kepada kami – dengan senang hati kami akan merekomendasikan homogenizer ultrasonik yang paling sesuai dan efisien untuk aplikasi Anda!
Efisiensi Tinggi dengan Homogenizer Ultrasonik
Berkat efisiensi proses yang luar biasa, biaya investasi yang wajar, efisiensi energi yang sangat tinggi, serta biaya tenaga kerja dan perawatan yang rendah, homogenizer ultrasonik Hielscher mengungguli teknik homogenisasi konvensional dan mencapai RoI (pengembalian investasi) yang cepat. Sering kali, biaya investasi homogenizer ultrasonik kembali dalam beberapa bulan.
Ultrasonik Berdaya Tinggi untuk Homogenisasi Industri
Amplitudo adalah parameter proses terpenting dalam proses homogenisasi yang digerakkan oleh ultrasonik. Semua sonikator Hielscher memungkinkan kontrol amplitudo yang presisi. Bergantung pada sasaran proses, amplitudo yang lebih rendah dapat diatur untuk kondisi pemrosesan yang lebih ringan, atau amplitudo tinggi dipilih untuk hasil dispersi yang lebih destruktif. Sonikator industri Hielscher dapat menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan terus-menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat sesuai kebutuhan.
Kebutuhan Perawatan Rendah untuk Homogenizer Ultrasonik
Homogenizer ultrasonik juga mudah dibersihkan karena sonotrode dan reaktor merupakan satu-satunya komponen yang terbasahi dan bersentuhan dengan bahan yang diproses. Sonotrode (juga dikenal sebagai horn atau probe ultrasonik) dan reaktor masing-masing terbuat dari titanium dan baja tahan karat, serta memiliki geometri sederhana tanpa orifis atau sudut mati.
Satu-satunya bagian yang mengalami keausan adalah probe ultrasonik, yang dapat diganti tanpa gangguan signifikan terhadap pengoperasian. Sonotrode pada sonikator laboratorium dapat diganti dalam sekitar 10 min, sedangkan penggantian sonotrode pada homogenizer ultrasonik industri dapat memerlukan sekitar 30–45 min.
Hubungi kami sekarang! Tim kami yang berpengalaman akan dengan senang hati memberikan informasi teknis dan rekomendasi terkait proses!
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 hingga 60L | 0,6 hingga 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Pertanyaan yang Sering Diajukan tentang Homogenizer
- Bagaimana prinsip kerja homogenizer? Homogenizer menerapkan gaya geser pada cairan, suspensi, dan sluri. Geser memperkecil ukuran partikel dalam campuran padat-cair dan cair-cair serta menghasilkan distribusi ukuran partikel yang seragam. Homogenizer dapat menghasilkan emulsi atau dispersi yang stabil.
- Apa prinsip proses homogenisasi? Prinsip dasar homogenisasi melibatkan penerapan gaya mekanis, seperti getaran ultrasonik dan kavitasi, pada campuran heterogen untuk memecah partikel hingga ukuran halus yang seragam, sehingga menghasilkan campuran yang konsisten dan stabil yang mencegah pemisahan seiring waktu.
- Apa tujuan utama homogenisasi? Tujuan utama homogenisasi adalah meningkatkan stabilitas dan konsistensi produk dengan memperkecil ukuran partikel. Proses ini meningkatkan sifat fisik campuran, seperti viskositas, tekstur, dan umur simpan, sehingga sangat penting dalam pengolahan makanan, farmasi, dan kosmetik.
Baca lebih lanjut tentang homogenizer makanan ultrasonik! - Apa itu homogenisasi ultrasonik? Homogenisasi ultrasonik menggunakan gelombang suara berfrekuensi tinggi untuk menginduksi kavitasi dalam medium cair, sehingga menghasilkan gaya geser intens yang memecah partikel pada tingkat mikroskopis. Metode ini sangat efektif untuk disrupsi sel, dispersi nanopartikel, dan emulsifikasi.
- Apa itu sonikasi untuk homogenisasi? Sonikasi untuk homogenisasi melibatkan penerapan energi ultrasonik pada sampel untuk menghasilkan pencampuran yang halus dan seragam. Proses ini efektif untuk mendispersikan, mengemulsikan, dan memperkecil ukuran partikel dalam fluida, serta banyak digunakan dalam penelitian maupun industri.
- Apa saja 2 jenis metode sonikasi? Dua jenis utama metode sonikasi adalah sonikasi langsung dan tidak langsung. Sonikasi langsung melibatkan pencelupan probe langsung ke dalam sampel, sedangkan sonikasi tidak langsung berlangsung dalam bak, dengan sampel ditempatkan dalam wadah yang direndam dalam fluida yang sesuai untuk sonikasi. Sonikasi langsung biasanya lebih intens dan lebih efektif untuk homogenisasi dibandingkan sonikasi tidak langsung.
Literatur / Referensi
- 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.