Omogeneizzatori – Principio di funzionamento, uso e scale-up

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

Cos'è un omogeneizzatore?

Un omogeneizzatore è una classe di dispositivi di miscelazione, che è progettata per rompere le particelle, sia solide che liquide, in una miscela uniforme. Gli omogeneizzatori sono disponibili come apparecchi da laboratorio, da banco e industriali utilizzati per varie applicazioni nella ricerca e nell'industria. L'applicazione tipica dell'omogeneizzatore include la miscelazione e la disintegrazione di vari materiali, tra cui particelle, pigmenti, prodotti chimici, piante, cibo, cellule, tessuti, tra gli altri.

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Omogeneizzatore industriale ad ultrasuoni per dispersioni, emulsioni, riduzione della dimensione delle particelle e applicazioni di miscelazione.

Il MultiSonoReactor MSR-4 è un omogeneizzatore industriale in linea con ultrasuoni di 16.000 watt di potenza per applicazioni esigenti come nano-dispersioni e nano-emulsioni.

Panoramica sui vari tipi di omogeneizzatore

Vari tipi di omogeneizzatori sono disponibili in commercio per l'uso su banco e per la produzione industriale su larga scala. Tuttavia i miscelatori rotore/statore (colloidi), gli omogeneizzatori ad alta pressione e gli omogeneizzatori ad ultrasuoni sono i modelli più utilizzati.
Miscelatori a girante o a pale hanno una lama rotante, che ruota ad alta velocità sul fondo del recipiente di miscelazione, combinando così vari materiali in una miscela omogenea.
Come il nome del miscelatore rotore/statore già implica, un miscelatore rotore/statore ha un rotore e 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 sono ridotti a particelle più piccole.
Il principio di funzionamento del omogeneizzatore ad alta pressione (HPH) si basa sull'uso di una pompa ad alta pressione e di una valvola (ugello, orifizio), che rende l'attrezzatura grande, pesante e costosa. Il liquame trattato è forzato con un'alta velocità di flusso attraverso un piccolo orifizio, che riduce la dimensione delle particelle, poiché le particelle richiedono una certa dimensione per passare attraverso la valvola. Specialmente quando si trattano i solidi, gli HPH sono inclini all'intasamento.
Omogeneizzatori ad ultrasuoni utilizzano le forze di taglio elevate generate dalla cavitazione acustica, il che dà loro diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche di omogeneizzazione. Il principio di funzionamento e i vantaggi dell'omogeneizzazione a ultrasuoni sono presentati di seguito.

Il video dimostra la dispersione ad ultrasuoni di colore rosso utilizzando la UP400St con una sonda S24d 22mm.

Dispersione ultrasonica del colore rosso con UP400St

Ultrasuoni ad alta potenza come forza omogeneizzante

Booster ultrasonico e sonda (cascatrode) montati sulla tromba del trasduttore ultrasonico UIP2000hdTUn omogeneizzatore a ultrasuoni utilizza vibrazioni ultrasoniche ad alta intensità e cavitazione per creare forze di taglio molto intense e può quindi essere chiamato un miscelatore superintenso ad alto taglio. Il segreto dietro le forze di taglio superintense è la cavitazione acustica, che è generata da onde ultrasoniche ad alta potenza. Un omogeneizzatore ultrasonico ha un generatore, che è l'unità di alimentazione e controllo, e un trasduttore. Il trasduttore contiene ceramiche piezoelettriche. Queste ceramiche piezoelettriche convertono l'energia elettrica in oscillazione, poiché i cristalli piezoelettrici cambiano la loro dimensione e forma quando viene applicata la tensione. Quando la frequenza dell'oscillatore elettronico è uguale alla frequenza naturale del quarzo piezoelettrico, si verifica la risonanza. In condizioni di risonanza, il quarzo produce onde ultrasoniche longitudinali di grande ampiezza.
Le onde a ultrasuoni generate sono poi accoppiate attraverso la sonda a ultrasuoni (sonotrodo / corno) nel mezzo del processo. L'ampiezza alla sonda a ultrasuoni determina l'intensità delle onde a ultrasuoni, che vengono trasmesse nel liquido o nel liquame. 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 ad 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 un'alta velocità fino a 280 m/s, con conseguenti potenti forze di taglio. Le forze di taglio rompono le particelle, causano la collisione interparticellare e distruggono meccanicamente goccioline e cellule, promuovendo allo stesso tempo un trasferimento di massa altamente efficiente. Queste forze cavitazionali producono dispersioni, emulsioni e sospensioni uniformi e omogenee e sono anche note per promuovere reazioni chimiche (la cosiddetta sonochemistry).

Cavitazione acustica o ultrasonica: crescita e implosione delle bolle

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

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicator

Cavitazione ultrasonica alla sonda a cascata del ultrasuoni UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) in un reattore di vetro. La luce rossa dal fondo è usata per migliorare la visibilità della cavitazione.

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Omogeneizzatori ad ultrasuoni – Vantaggi

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono superiori, quando si tratta della produzione di solidi-liquidi (i cosiddetti slurries) e sospensioni e soluzioni liquido-liquido. Dal momento che gli ultrasuoni utilizzano il principio di funzionamento della cavitazione ultrasonica, il materiale deve essere bagnato o in una fase umida, poiché la cavitazione avviene solo nel liquido. Questo significa che un ultrasuonatore non sarebbe molto efficiente nel mescolare una polvere secca, ma non appena la polvere si bagna, la sonicazione è il metodo più efficiente per la miscelazione. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono ben noti per mescolare, miscelare e disperdere in modo affidabile anche le paste e i materiali altamente viscosi. Le forze straordinariamente intense causate dall'implosione delle bolle di cavitazione creano non solo forze di taglio molto potenti, ma anche temperature e pressioni elevate confinate localmente, nonché i rispettivi differenziali. Questa combinazione di forze fisiche distrugge le particelle in dimensioni molto più piccole di un omogeneizzatore convenzionale. Pertanto, gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono l'attrezzatura preferita per la produzione affidabile di emulsioni e dispersioni di dimensioni nano.

Vantaggi dell'omogeneizzazione a ultrasuoni

  • efficienza eccellente
  • in grado di fornire energia altamente focalizzata
  • risultati superiori nel micron e nel nano
  • per emulsioni e dispersioni di dimensioni micron e nano
  • qualsiasi volume da mL a tonnellate/ora
  • Lotto e in linea
  • per passaggio singolo e ricircolo
  • Controllo di processo preciso
  • Semplicità d'uso
  • pulizia facile
  • Bassa manutenzione

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 la dimensione delle particelle, interrompere ed estrarre materiale biologico, intensificare le reazioni chimiche e dissolvere i composti solubili.

Emulsificazione ad ultrasuoni

L'emulsificazione è il processo di miscelazione di due o più liquidi immiscibili per preparare una miscela stabile o semistabile. In generale, questi due liquidi sono costituiti da una fase oleosa e 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 della funzionalità e della stabilità di un'emulsione. Poiché gli ultrasuoni creano forze sonomeccaniche che rompono le goccioline e le riducono a goccioline 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. Sulla base di questa flessibilità e dell'affidabile capacità emulsionante, gli omogeneizzatori a ultrasuoni (a volte chiamati anche emulsionatori a ultrasuoni quando sono usati per l'emulsificazione) sono usati, ad esempio, nell'industria chimica, alimentare, farmaceutica e dei carburanti per produrre emulsioni stabili a lungo termine.
Clicca sui seguenti link per saperne di più su nanoemulsionie Raccogliendo le emulsioni!

Dispersione ultrasonica

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto efficaci quando gli agglomerati di particelle, gli aggregati e persino le particelle primarie devono essere ridotti in modo affidabile. Il vantaggio degli omogeneizzatori a ultrasuoni è la loro capacità di macinare le particelle fino a dimensioni più piccole e uniformi, sia che si tratti di micron che di nano-particelle come risultato del processo. Le forze di taglio cavitazionali e i flussi di liquido accelerano le particelle in modo che si scontrino tra loro. Questo è noto come collisione interparticellare. Le particelle stesse agiscono come mezzo di macinazione, il che evita la contaminazione da parte delle perle di macinazione e il successivo processo di separazione, che è necessario quando si usano i mulini a sfere convenzionali. Poiché le particelle si scontrano per collisione interparticellare a velocità molto elevate, fino a 280m/sec, si applicano forze straordinariamente elevate alle particelle, che quindi si frantumano in frazioni minuscole. L'attrito e l'erosione danno a questi 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 ultrasonica il vantaggio di fornire sospensioni colloidali e dispersioni altamente omogenee!
La sequenza di immagini qui sotto mostra le forze cavitazionali degli ultrasuoni sui fiocchi di grafite.

Esfoliazione ultrasonica del grafene in acqua

Una 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 UP200S, un ultrasuonatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della scissione (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella scissione.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersione e omogeneizzazione di nanomateriali

Per entrambe le emulsioni e dispersioni, la preparazione di miscele di dimensioni nano è un compito impegnativo. La maggior parte delle tecniche convenzionali di omogeneizzazione e miscelazione come i miscelatori a lama, i mulini a sfere, gli omogeneizzatori ad alta pressione e altri miscelatori sono in grado di produrre particelle di dimensioni micron, ma non possono rompere in modo affidabile goccioline e solidi fino a dimensioni nano. Ciò è dovuto principalmente all'intensità insufficiente. Per esempio, i miscelatori a lama non forniscono abbastanza taglio per rompere le particelle a dimensioni nano. I mulini a sfere, un altro tipo di omogeneizzatore, non possono macinare i solidi in modo uniforme fino a una dimensione delle particelle più fine delle sfere (mezzi di macinazione) stesse. Le perle di macinazione convenzionali hanno una dimensione media tra 1.500 mm – 35.000 mm. Un altro problema è la contaminazione per usura del mezzo di fresatura. Poiché gli ultrasuoni forniscono forze di taglio straordinariamente alte, ma precisamente controllabili, la cavitazione a ultrasuoni è la tecnica preferita per la produzione affidabile di nano-dispersioni e nano-emulsioni in laboratorio (R&D), pilota e industriale.

Per informazioni su altre applicazioni degli omogeneizzatori a ultrasuoni, cliccare sui seguenti link!

Omogeneizzatore a ultrasuoni UP200St collegato a un reattore batch ad agitazione continua

Reattore batch agitato a ultrasuoni - UP200St

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La dispersione della silice con un omogeneizzatore a ultrasuoni produce una distribuzione delle particelle stretta e omogenea.

Le dispersioni ad ultrasuoni mostrano una distribuzione granulometrica uniforme con particelle ridotte in modo omogeneo. Le curve mostrano la distribuzione delle particelle di silice prima degli ultrasuoni (curva verde) e dopo la dispersione ultrasonica (curva rossa).

Scale-Up dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni

Quando si scala da un omogeneizzatore a ultrasuoni da laboratorio a un omogeneizzatore a ultrasuoni 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 importanti come l'ampiezza, la pressione, la temperatura e il tempo di lavorazione sono mantenuti costanti, solo la superficie della sonda a ultrasuoni e l'agitatore a ultrasuoni come energico agitatore della sonda sono scalati a unità più grandi e potenti. La scalabilità lineare dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni permette di ottenere nella grande produzione gli stessi risultati di alta qualità che si ottengono in laboratorio e nelle impostazioni pilota.

Trova l'omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto al tuo processo!

Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di lunga esperienza per gli omogeneizzatori a ultrasuoni. Tutti gli omogeneizzatori Hielscher sono progettati, prodotti e testati nella nostra sede 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 alte prestazioni costanti, affidabilità, robustezza e facilità d'uso. La sofisticazione tecnica della tecnologia di omogeneizzazione a ultrasuoni dà agli utenti delle apparecchiature Hielscher vantaggi competitivi, che li rendono leader di mercato nel loro settore. Con l'ampia gamma di prodotti, dagli omogeneizzatori da laboratorio e da banco, ai sistemi pilota e agli omogeneizzatori a ultrasuoni full-industrial per produzioni commerciali, la Hielscher ha il sistema di miscelazione a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. Gli accessori del manifold permettono di realizzare il setup ideale dell'omogeneizzatore a ultrasuoni – che corrispondono alle esigenze individuali.
Diteci i vostri requisiti e le vostre specifiche di processo – saremo lieti di consigliarvi l'omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto ed efficiente per la vostra applicazione!

Alta efficienza con gli omogeneizzatori a ultrasuoni

Grazie alla straordinaria efficienza del processo, ai costi di investimento ragionevoli, all'efficienza energetica molto elevata e ai bassi costi di manodopera e di 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

Omogeneizzatore a ultrasuoni con reattore per la lavorazione in linea.L'ampiezza è il parametro di processo più importante nei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni Hielscher permettono il 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. Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali ad ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati.

Bassi requisiti di manutenzione 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 che sono parti bagnate ed entrano in contatto con il materiale trattato. Il sonotrodo (noto anche come corno ultrasonico o sonda) e il reattore sono fatti rispettivamente di titanio e acciaio inossidabile e hanno geometrie pulite senza orifizi o angoli morti.
L'unica parte soggetta a usura è la sonda a ultrasuoni, che può essere sostituita senza interruzioni significative del funzionamento. Il sonotrodo di un ultrasuonatore da laboratorio viene sostituito in circa 10 minuti, mentre la sostituzione di un sonotrodo di un omogeneizzatore a ultrasuoni industriale può richiedere circa 30-45 minuti.

Contattateci ora! Il nostro team di esperti sarà lieto di condividere con voi informazioni tecniche, consigli sui processi e/o un preventivo!

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

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
0.3 a 60L 0.6 a 12L/min UIP6000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Si prega di utilizzare il modulo sottostante per richiedere ulteriori informazioni sui processori ad ultrasuoni, le applicazioni e il prezzo. Saremo lieti di discutere il vostro processo con voi e di offrirvi un sistema ad ultrasuoni che soddisfi le vostre esigenze!









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Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze


Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.