Omogeneizzatori – Principio di funzionamento, utilizzo e scalabilità

Gli omogeneizzatori sono un tipo di miscelatori che applicano forze meccaniche per miscelare, emulsionare, disperdere e sciogliere sistemi liquido-liquido e solido-liquido. A seconda del modello di omogeneizzatore, vengono utilizzati il taglio rotazionale, gli ugelli o gli ultrasuoni ad alta potenza per creare le forze necessarie a disintegrare e rompere le particelle solide e le goccioline liquide. Per saperne di più sui dispositivi di omogeneizzazione e sulle loro applicazioni nella ricerca e nella produzione!

Che cos'è un omogeneizzatore?

L'omogeneizzatore è una classe di dispositivi di miscelazione progettati per rompere le particelle, sia solide che liquide, in una miscela uniforme. Gli omogeneizzatori sono disponibili come apparecchiature da laboratorio, da banco e industriali, utilizzate per varie applicazioni nella ricerca e nell'industria. Le applicazioni tipiche degli omogeneizzatori comprendono la miscelazione e la disintegrazione di vari materiali, tra cui particelle, pigmenti, sostanze chimiche, piante, alimenti, cellule e tessuti.

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Panoramica sui vari tipi di omogeneizzatori

Sono disponibili in commercio diversi tipi di omogeneizzatori da banco e per la produzione industriale su larga scala. Tuttavia, i miscelatori rotore/statore (colloide), gli omogeneizzatori ad alta pressione e gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono i modelli più utilizzati.
I miscelatori a girante o a lama sono dotati di una lama rotante che ruota ad alta velocità sul fondo del recipiente di miscelazione, combinando i vari materiali in una miscela omogenea.
Come già si evince dal nome, un miscelatore rotore/statore è composto da un rotore e da uno statore. Il rotore è un albero metallico che ruota ad alta velocità all'interno dello statore. Lo statore è la parte metallica che rimane ferma. La rotazione del rotore crea un effetto di aspirazione che sposta il materiale solido-liquido tra lo statore e il rotore, dove i solidi vengono ridotti a particelle di dimensioni più piccole.
Il principio di funzionamento dell'omogeneizzatore ad alta pressione (HPH) si basa sull'uso di una pompa ad alta pressione e di una valvola (ugello, orifizio), che rendono l'apparecchiatura grande, pesante e costosa. Il liquame trattato viene forzato con un'alta velocità di flusso attraverso un piccolo orifizio, che riduce le dimensioni delle particelle, le quali devono avere una certa dimensione per passare attraverso la valvola. Soprattutto nel trattamento dei solidi, le HPH sono soggette a intasamento.
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sfruttano le forze di taglio elevate generate dalla cavitazione acustica, che conferiscono loro diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche di omogeneizzazione. Di seguito vengono presentati il principio di funzionamento e i vantaggi dell'omogeneizzazione a ultrasuoni.

Ultrasuoni ad alta potenza come forza omogeneizzante

Un omogeneizzatore a ultrasuoni utilizza vibrazioni ultrasoniche ad alta intensità e cavitazione per creare forze di taglio molto intense e può quindi essere definito un miscelatore ad alto taglio superintenso. Il segreto delle forze di taglio elevate e superintense è la cavitazione acustica, generata da onde ultrasonore ad alta potenza. Un omogeneizzatore a ultrasuoni è dotato di un generatore, che è l'unità di alimentazione e controllo, e di un trasduttore. Il trasduttore contiene ceramiche piezoelettriche. Queste ceramiche piezoelettriche convertono l'energia elettrica in oscillazione, poiché i cristalli piezoelettrici cambiano dimensione e forma quando viene applicata la tensione. Quando la frequenza dell'oscillatore elettronico è uguale alla frequenza naturale del quarzo piezoelettrico, si verifica una risonanza. In condizioni di risonanza, il quarzo produce onde ultrasoniche longitudinali di grande ampiezza.
Le onde ultrasonore generate vengono quindi accoppiate attraverso la sonda a ultrasuoni (sonotrodo/corno) nel fluido di processo. L'ampiezza della sonda a ultrasuoni determina l'intensità delle onde a ultrasuoni che vengono trasmesse nel liquido o nel fango. Le onde ultrasoniche generano cicli alternati di alta e bassa pressione nei mezzi liquidi. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità producono piccole bolle di vuoto nel liquido. Durante il ciclo di alta pressione, le piccole bolle di vuoto collassano in modo distruttivo. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. L'implosione delle bolle di cavitazione può anche generare getti di liquido con una velocità elevata, fino a 280 m/s, con conseguenti potenti forze di taglio. Le forze di taglio rompono le particelle, causano collisioni interparticellari e disgregano meccanicamente le goccioline e le cellule, promuovendo allo stesso tempo un trasferimento di massa altamente efficiente. Queste forze cavitazionali producono dispersioni, emulsioni e sospensioni uniformi e omogenee e sono note anche per promuovere le reazioni chimiche (la cosiddetta sicochimica).

La cavitazione acustica (generata da ultrasuoni ad alta potenza) crea localmente condizioni estreme, i cosiddetti effetti sonomeccanici e somochimici. Grazie a questi effetti, la sonicazione riduce le particelle solide e liquide e le fonde in una formulazione omogenea.

Omogeneizzatori a ultrasuoni – Advantages

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono superiori quando si tratta di produrre sospensioni e soluzioni solido-liquido (i cosiddetti slurries) e liquido-liquido. Poiché gli ultrasonici utilizzano il principio di funzionamento della cavitazione ultrasonica, il materiale deve essere umido o in fase umida, poiché la cavitazione avviene solo nei liquidi. Ciò significa che un ultrasuonatore non sarebbe molto efficiente nella miscelazione di una polvere secca, ma non appena la polvere viene bagnata, la sonicazione è il metodo più efficiente per la miscelazione. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono noti per mescolare, miscelare e disperdere in modo affidabile anche paste e materiali altamente viscosi. Le forze straordinariamente intense causate dall'implosione delle bolle di cavitazione creano non solo forze di taglio molto potenti, ma anche alte temperature e pressioni localmente confinate e rispettivi differenziali. Questa combinazione di forze fisiche disgrega le particelle in dimensioni molto più piccole rispetto a un omogeneizzatore convenzionale. Pertanto, gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono le apparecchiature preferite per la produzione affidabile di emulsioni e dispersioni di dimensioni nanometriche.

Applicazioni degli omogeneizzatori a ultrasuoni

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in laboratorio e nelle strutture industriali per omogeneizzare sospensioni solido-liquido e liquido-liquido, ridurre le dimensioni delle particelle, disgregare ed estrarre materiale biologico, intensificare le reazioni chimiche e sciogliere composti solubili.

emulsione ad ultrasuoni

L'emulsificazione è il processo di miscelazione di due o più liquidi immiscibili al fine di preparare una miscela stabile o semistabile. In generale, questi due liquidi sono costituiti da una fase oleosa e da una fase acquosa (acqua). Per stabilizzare la miscela delle diverse fasi liquide, viene aggiunto un emulsionante (tensioattivo / co-surfattante). La dimensione delle gocce di un'emulsione gioca un ruolo cruciale quando si tratta di funzionalità e stabilità di un'emulsione. Poiché gli ultrasuoni creano forze sonomeccaniche che rompono le goccioline e le riducono a gocce minuscole, la sonicazione è un metodo molto popolare per la produzione di micron- e nano-emulsioni. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono uno strumento affidabile per la produzione di emulsioni O/W e W/O, emulsioni inverse, emulsioni doppie (O/W/O, W/O/W), mini-emulsioni e emulsioni Pickering. Grazie a questa flessibilità e all'affidabile capacità emulsionante, gli omogeneizzatori a ultrasuoni (talvolta chiamati anche emulsionatori a ultrasuoni quando vengono utilizzati per l'emulsione) sono utilizzati, ad esempio, nell'industria chimica, alimentare, farmaceutica e dei carburanti per produrre emulsioni stabili a lungo termine.
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dispersione ultrasonica

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto efficaci quando è necessario ridurre in modo affidabile le dimensioni di agglomerati di particelle, aggregati e persino particelle primarie. Il vantaggio degli omogeneizzatori a ultrasuoni è la capacità di ridurre le particelle a dimensioni più piccole e più uniformi, sia che si tratti di micron che di nano-particelle. Le forze di taglio cavitazionali e i flussi di liquido accelerano le particelle in modo che si scontrino tra loro. Questo fenomeno è noto come collisione interparticellare. Le particelle stesse fungono da mezzo di macinazione, evitando così la contaminazione da parte delle sfere di macinazione e il successivo processo di separazione, necessario quando si utilizzano i mulini a sfere convenzionali. Poiché le particelle si scontrano per collisione interparticellare a velocità molto elevate, fino a 280 m/sec, si applicano forze straordinariamente elevate alle particelle, che si frantumano in minuscole frazioni. L'attrito e l'erosione conferiscono ai frammenti di particelle una superficie levigata e una forma uniforme. La combinazione di forze di taglio e collisione interparticellare conferisce all'omogeneizzazione e alla dispersione a ultrasuoni il vantaggio di produrre sospensioni e dispersioni colloidali altamente omogenee!
La sequenza di immagini che segue illustra le forze cavitazionali degli ultrasuoni sui fiocchi di grafite.

Sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua, utilizzando il sistema di esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua. UP200S, un ultrasuonatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della spaccatura (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersione e omogeneizzazione dei nanomateriali

Sia per le emulsioni che per le dispersioni, la preparazione di miscele di dimensioni nanometriche è un compito impegnativo. La maggior parte delle tecniche convenzionali di omogeneizzazione e miscelazione, come i miscelatori a lama, i mulini a perline, gli omogeneizzatori ad alta pressione e altri miscelatori, sono in grado di produrre particelle di dimensioni micron, ma non sono in grado di rompere in modo affidabile gocce e solidi fino a dimensioni nanometriche. Ciò è dovuto principalmente a un'intensità insufficiente. Ad esempio, i miscelatori a lama non forniscono un taglio sufficiente per rompere le particelle fino a dimensioni nanometriche. I mulini a perle, un altro tipo di omogeneizzatore, non sono in grado di macinare i solidi in modo uniforme fino a raggiungere una dimensione delle particelle più fine di quella delle perle stesse (media di macinazione). Le perle di macinazione convenzionali hanno una dimensione media compresa tra 1.500 mm – 35.000 mm. Un altro problema è la contaminazione dovuta all'usura del mezzo di macinazione. Poiché gli ultrasuoni forniscono forze di taglio straordinariamente elevate, ma controllabili con precisione, la cavitazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per la produzione affidabile di nano-dispersioni e nano-emulsioni in laboratorio (R&D), impianti pilota e industriali.

Aumento di scala dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni

Quando si passa da un omogeneizzatore a ultrasuoni da laboratorio a un ultrasuonificatore pilota e da un sistema pilota a un omogeneizzatore a ultrasuoni per la produzione su larga scala, lo scale-up può essere applicato in modo completamente lineare! Tutti i parametri di processo più importanti, come ampiezza, pressione, temperatura e tempo di lavorazione, vengono mantenuti costanti; solo l'area della superficie della sonda a ultrasuoni e l'agitatore energetico della sonda vengono scalati verso unità più grandi e potenti. La scalabilità lineare dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni consente di ottenere nella grande produzione gli stessi risultati di alta qualità ottenuti in laboratorio e in ambienti pilota.

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Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di lunga esperienza per gli omogeneizzatori a ultrasuoni. Tutti gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher sono progettati, prodotti e testati nella nostra sede centrale in Germania prima di essere spediti ai nostri clienti in tutto il mondo. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher sono dispositivi di alta qualità caratterizzati da prestazioni elevate e costanti, affidabilità, robustezza e facilità d'uso. La sofisticatezza tecnica della tecnologia di omogeneizzazione a ultrasuoni offre agli utenti delle apparecchiature Hielscher vantaggi competitivi che li rendono leader di mercato nel loro settore. Grazie all'ampia gamma di prodotti, dagli omogeneizzatori da laboratorio e da banco ai sistemi pilota, fino agli omogeneizzatori a ultrasuoni industriali per produzioni commerciali, Hielscher ha il sistema di miscelazione a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. Gli accessori del manifold consentono la configurazione ideale dell'omogeneizzatore a ultrasuoni – rispondendo alle esigenze individuali.
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Omogeneizzatori a ultrasuoni ad alta efficienza

Grazie alla straordinaria efficienza del processo, ai costi di investimento ragionevoli, all'altissima efficienza energetica e ai bassi costi di manodopera e manutenzione, gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher superano le tecniche di omogeneizzazione convenzionali e raggiungono un rapido RoI (Return on Investment). Spesso un omogeneizzatore a ultrasuoni viene ammortizzato in pochi mesi.

Ultrasuoni ad alta potenza per l'omogeneizzazione industriale

L'ampiezza è il parametro di processo più importante nei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni Hielscher consentono un controllo preciso dell'ampiezza. A seconda dell'obiettivo del processo, è possibile impostare un'ampiezza inferiore per condizioni di lavorazione più blande o scegliere un'ampiezza elevata per risultati di dispersione più distruttivi. I sonicatori industriali Hielscher possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

Requisiti di manutenzione ridotti per gli omogeneizzatori a ultrasuoni

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni non sono solo facili da pulire, poiché il sonotrodo e il reattore sono gli unici componenti bagnati e a contatto con il materiale lavorato. Il sonotrodo (noto anche come tromba o sonda a ultrasuoni) e il reattore sono realizzati rispettivamente in titanio e acciaio inox e presentano geometrie pulite senza orifizi o angoli morti.
L'unica parte soggetta a usura è la sonda a ultrasuoni, che può essere sostituita senza interrompere significativamente il funzionamento. La sostituzione del sonotrodo di un ultrasuonatore da laboratorio avviene in circa 10 minuti, mentre la sostituzione del sonotrodo di un omogeneizzatore industriale a ultrasuoni può richiedere circa 30-45 minuti.

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: