Omogeneizzatori – Principio di funzionamento, utilizzo e aumento di scala
Gli omogeneizzatori sono un tipo di miscelatori che applicano forze meccaniche per miscelare, emulsionare, disperdere e dissolvere sistemi liquido-liquido e solido-liquido. A seconda del modello di omogeneizzatore, si utilizzano forze di taglio rotazionale, ugelli o ultrasuoni ad alta potenza per generare le forze necessarie a disgregare e frantumare particelle solide e goccioline liquide. Scoprite di più sugli omogeneizzatori e sulle loro applicazioni nella ricerca e nella produzione!
Che cos’è un omogeneizzatore?
Un omogeneizzatore appartiene a una classe di dispositivi di miscelazione progettati per frammentare particelle, sia solide sia liquide, ottenendo 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 disgregazione di vari materiali, tra cui particelle, pigmenti, sostanze chimiche, piante, alimenti, cellule e tessuti.
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Il MultiSonoReactor MSR-4 è un omogeneizzatore industriale in linea dotato di sonicatori con una potenza di 16.000 watt per applicazioni impegnative come nanodispersioni e nanoemulsioni.
Panoramica dei vari tipi di omogeneizzatori
Sono disponibili in commercio vari tipi di omogeneizzatori per l’impiego su banco e nella produzione industriale su larga scala. Tuttavia, i miscelatori rotore/statore (colloidali), gli omogeneizzatori ad alta pressione e gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono i modelli più utilizzati.
I miscelatori a girante o a pale sono dotati di una pala che ruota ad alta velocità sul fondo del recipiente di miscelazione, combinando così vari materiali in una miscela omogenea.
Come suggerisce il nome, un miscelatore rotore/statore è dotato di un rotore e di 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 inferiori.
Il principio di funzionamento dell’omogeneizzatore ad alta pressione (HPH) si basa sull’utilizzo di una pompa ad alta pressione e di una valvola (ugello, orifizio), che rendono l’apparecchiatura ingombrante, pesante e costosa. La sospensione trattata viene forzata ad alta velocità di flusso attraverso un piccolo orifizio, riducendo le dimensioni delle particelle, poiché queste devono essere sufficientemente piccole per attraversare la valvola. Soprattutto durante il trattamento di solidi, gli HPH sono soggetti a intasamento.
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni utilizzano le intense forze di taglio generate dalla cavitazione acustica, che offrono vari vantaggi rispetto ad altre tecniche di omogeneizzazione. Il principio di funzionamento e i vantaggi dell’omogeneizzazione a ultrasuoni sono presentati di seguito.
Ultrasuoni ad alta potenza come forza omogeneizzante
Un omogeneizzatore a ultrasuoni utilizza vibrazioni ultrasoniche ad alta intensità e cavitazione per generare forze di taglio estremamente intense e può quindi essere definito un miscelatore a taglio estremamente intenso. Il segreto di queste forze di taglio estremamente intense è la cavitazione acustica, generata da onde ultrasoniche ad alta potenza. Un omogeneizzatore a ultrasuoni è dotato di un generatore, che costituisce l’unità di alimentazione e controllo, e di un trasduttore. Il trasduttore contiene ceramiche piezoelettriche. Queste ceramiche piezoelettriche convertono l’energia elettrica in oscillazioni, poiché i cristalli piezoelettrici cambiano dimensioni e forma quando viene applicata una 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 ultrasoniche generate vengono quindi accoppiate al mezzo di processo tramite la sonda a ultrasuoni (sonotrodo / corno). L’ampiezza della sonda a ultrasuoni determina l’intensità delle onde ultrasoniche trasmesse al liquido o alla sospensione. 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 velocità elevate fino a 280 m/s, producendo potenti forze di taglio. Le forze di taglio frantumano le particelle, provocano collisioni tra particelle e disgregano meccanicamente goccioline e cellule, favorendo al contempo un trasferimento di massa altamente efficiente. Queste forze di cavitazione producono dispersioni, emulsioni e sospensioni uniformi e omogenee e sono anche note per favorire le reazioni chimiche (la cosiddetta sonochimica).
La cavitazione acustica (generata dagli ultrasuoni ad alta potenza) crea localmente condizioni estreme, i cosiddetti effetti sonomeccanici e sonochimici. Grazie a questi effetti, la sonicazione riduce le dimensioni delle particelle solide e liquide e le miscela in una formulazione omogenea.
Cavitazione ultrasonica in corrispondenza della sonda cascatrode del sonicatore UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) in un reattore di vetro. La luce rossa proveniente dal basso viene utilizzata per migliorare la visibilità della cavitazione.
Vantaggi dell’utilizzo dei sonicatori come omogeneizzatori
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni offrono prestazioni superiori nella produzione di sospensioni e soluzioni solido-liquido (le cosiddette slurry) e liquido-liquido. Poiché i sonicatori sfruttano il principio di funzionamento della cavitazione ultrasonica, il materiale deve essere bagnato o trovarsi in una fase umida, poiché la cavitazione si verifica soltanto nei liquidi. Ciò significa che un sonicatore non sarebbe molto efficiente nel miscelare una polvere secca, ma non appena la polvere viene bagnata, la sonicazione diventa il metodo più efficiente per la miscelazione. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono noti per la loro capacità di mescolare, miscelare e disperdere in modo affidabile anche paste e materiali altamente viscosi. Le forze straordinariamente intense causate dall’implosione delle bolle di cavitazione generano non solo forze di taglio molto potenti, ma anche temperature e pressioni elevate localmente confinate, nonché i rispettivi differenziali. Questa combinazione di forze fisiche frammenta le particelle fino a dimensioni molto inferiori rispetto a quelle ottenibili con un omogeneizzatore convenzionale. Pertanto, gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono le apparecchiature preferite per la produzione affidabile di emulsioni e dispersioni di dimensioni nanometriche.
- efficienza eccellente
- capacità di erogare energia altamente concentrata
- risultati superiori su scala micrometrica e nanometrica
- per emulsioni e dispersioni di dimensioni micrometriche e nanometriche
- qualsiasi volume, da mL a tonnellate/ora
- in batch e in linea
- per passaggio singolo e ricircolo
- controllo preciso del processo
- semplicità di funzionamento
- facilità di pulizia
- manutenzione ridotta
Applicazioni degli omogeneizzatori a ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati nei laboratori e negli impianti industriali per omogeneizzare sospensioni solido-liquido e liquido-liquido, ridurre le dimensioni delle particelle, disgregare ed estrarre materiale biologico, intensificare le reazioni chimiche e dissolvere composti solubili.
Emulsificazione a 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 da una fase acquosa (acqua). Per stabilizzare la miscela delle diverse fasi liquide, viene aggiunto un emulsionante (tensioattivo / cotensioattivo). Le dimensioni delle goccioline di un’emulsione svolgono un ruolo cruciale per la sua funzionalità e stabilità. Poiché gli ultrasuoni di potenza generano forze sonomeccaniche che frammentano le goccioline e le riducono a dimensioni molto piccole, la sonicazione è un metodo molto diffuso per la produzione di emulsioni di dimensioni micrometriche e nanometriche. 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), miniemulsioni ed emulsioni Pickering. Grazie a questa flessibilità e alla loro affidabile capacità emulsionante, gli omogeneizzatori a ultrasuoni (talvolta chiamati anche emulsionatori a ultrasuoni quando vengono utilizzati per l’emulsificazione) sono impiegati, ad esempio, nell’industria chimica, alimentare, farmaceutica e dei combustibili per produrre emulsioni stabili a lungo termine.
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Dispersione a ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto efficaci quando occorre ridurre in modo affidabile le dimensioni di agglomerati, aggregati e persino particelle primarie. Il vantaggio degli omogeneizzatori a ultrasuoni è la loro capacità di macinare le particelle fino a dimensioni più piccole e uniformi, sia che il risultato del processo desiderato siano microparticelle sia che siano nanoparticelle. Le forze di taglio dovute alla cavitazione e i flussi di liquido accelerano le particelle, facendole collidere tra loro. Questo fenomeno è noto come collisione interparticellare. Le particelle stesse fungono da mezzo di macinazione, evitando la contaminazione da sfere di macinazione e il successivo processo di separazione, necessario quando si utilizzano mulini a sfere convenzionali. Poiché le particelle si scontrano nelle collisioni interparticellari a velocità molto elevate, fino a 280m/sec, sono sottoposte a forze straordinariamente elevate, che le frantumano in frazioni molto piccole. L’attrito e l’erosione conferiscono a questi frammenti di particelle una superficie levigata e una forma uniforme. La combinazione di forze di taglio e collisioni interparticellari conferisce all’omogeneizzazione e alla dispersione a ultrasuoni un vantaggio, consentendo di ottenere sospensioni e dispersioni colloidali altamente omogenee!
La sequenza di immagini riportata di seguito mostra le forze di cavitazione degli ultrasuoni sulle scaglie di grafite.
Una sequenza di fotogrammi ad alta velocità (da a a f) che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua mediante UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3-mm. Le frecce indicano il punto di separazione (esfoliazione), con bolle di cavitazione che penetrano nella fessura.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Dispersione e omogeneizzazione dei nanomateriali
Sia per le emulsioni sia 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 pale, i mulini a sfere, gli omogeneizzatori ad alta pressione e altri miscelatori, è in grado di produrre particelle di dimensioni micrometriche, ma non può ridurre in modo affidabile goccioline e solidi a dimensioni nanometriche. Ciò è dovuto principalmente a un’intensità insufficiente. Ad esempio, i miscelatori a pale non generano forze di taglio sufficienti a frammentare le particelle fino a dimensioni nanometriche. I mulini a sfere, un altro tipo di omogeneizzatore, non possono macinare uniformemente i solidi fino a dimensioni delle particelle inferiori a quelle delle sfere stesse (mezzi di macinazione). Le sfere di macinazione convenzionali hanno dimensioni medie comprese tra 1.500 mm e 35.000 mm. Un altro problema è la contaminazione dovuta all’usura del mezzo di macinazione. Poiché i sonicatori generano forze di taglio straordinariamente elevate, ma controllabili con precisione, la cavitazione ultrasonica è la tecnica preferita per la produzione affidabile di nanodispersioni e nanoemulsioni in laboratorio (R&S), negli impianti pilota e negli impianti industriali.
Le dispersioni ottenute con gli ultrasuoni presentano una distribuzione granulometrica uniforme, con particelle le cui dimensioni sono state ridotte in modo omogeneo. Le curve mostrano la distribuzione delle particelle di silice prima del trattamento a ultrasuoni (curva verde) e dopo la dispersione a ultrasuoni (curva rossa).
Aumento di scala dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni
Nel passaggio da un omogeneizzatore a ultrasuoni da laboratorio a un sonicatore pilota, e da un sistema pilota a un omogeneizzatore a ultrasuoni per la produzione su scala industriale, l’aumento di scala può essere completamente lineare! Tutti i parametri di processo importanti, come ampiezza, pressione, temperatura e tempo di trattamento, vengono mantenuti costanti; vengono aumentate soltanto la superficie della sonda a ultrasuoni e le dimensioni e la potenza del sonicatore che fornisce energia alla sonda, utilizzando unità più grandi e potenti. La scalabilità lineare dei processi di omogeneizzazione a ultrasuoni consente di ottenere nella produzione su larga scala gli stessi risultati di alta qualità ottenuti in laboratorio e negli impianti pilota.
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Hielscher Ultrasonics è il vostro partner con una lunga esperienza nel campo degli omogeneizzatori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori Hielscher vengono progettati, fabbricati e collaudati presso la 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 sofisticazione tecnica della tecnologia di omogeneizzazione a ultrasuoni offre agli utilizzatori delle apparecchiature Hielscher vantaggi competitivi che li rendono leader di mercato nel proprio settore. Grazie all’ampia gamma di prodotti, dagli omogeneizzatori da laboratorio e da banco ai sistemi pilota e agli omogeneizzatori a ultrasuoni completamente industriali per la produzione commerciale, Hielscher dispone del sistema di miscelazione a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. I numerosi accessori consentono di realizzare la configurazione ideale dell’omogeneizzatore a ultrasuoni – adatta alle esigenze individuali.
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Elevata efficienza con gli omogeneizzatori a ultrasuoni
Grazie alla straordinaria efficienza del processo, ai costi di investimento contenuti, all’elevatissima efficienza energetica e ai bassi costi di manodopera e manutenzione, gli omogeneizzatori a ultrasuoni Hielscher superano le tecniche di omogeneizzazione convenzionali e consentono un rapido RoI (ritorno sull’investimento). Spesso, un omogeneizzatore a ultrasuoni viene ammortizzato nel giro di pochi mesi.
Ultrasuoni ad alta potenza per l’omogeneizzazione industriale
L’ampiezza è il parametro di processo più importante nei processi di omogeneizzazione basati sugli ultrasuoni. Tutti i sonicatori Hielscher consentono un controllo preciso dell’ampiezza. A seconda dell’obiettivo del processo, è possibile impostare un’ampiezza inferiore per condizioni di trattamento più delicate oppure scegliere un’ampiezza elevata per ottenere risultati di dispersione più distruttivi. I sonicatori industriali Hielscher possono fornire ampiezze molto elevate. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Ridotte esigenze di manutenzione degli omogeneizzatori a ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono anche facili da pulire, poiché il sonotrodo e il reattore sono gli unici componenti bagnati che entrano in contatto con il materiale trattato. Il sonotrodo (noto anche come corno o sonda a ultrasuoni) e il reattore sono realizzati rispettivamente in titanio e acciaio inossidabile e presentano geometrie semplici, prive di 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 sonicatore da laboratorio viene sostituito in circa 10 min, mentre la sostituzione del sonotrodo di un omogeneizzatore a ultrasuoni industriale può richiedere circa 30–45 min.
Contattateci ora! Il nostro team di grande esperienza sarà lieto di fornire informazioni tecniche e raccomandazioni relative al processo!
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del batch | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 1 a 500mL | Da 10 a 200mL/min | UP100H |
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| Da 0,3 a 60L | Da 0,6 a 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Domande frequenti sugli omogeneizzatori
- Qual è il principio di funzionamento di un omogeneizzatore? Un omogeneizzatore applica forze di taglio a liquidi, sospensioni e slurry. Il taglio riduce le dimensioni delle particelle nelle miscele solido-liquido e liquido-liquido e produce distribuzioni granulometriche uniformi. Gli omogeneizzatori possono produrre emulsioni o dispersioni stabili.
- Qual è il principio del processo di omogeneizzazione? Il principio fondamentale dell’omogeneizzazione consiste nell’applicare una forza meccanica, come la vibrazione ultrasonica e la cavitazione, a una miscela eterogenea per ridurre le particelle a dimensioni uniformemente fini, ottenendo una miscela uniforme e stabile che evita la separazione nel tempo.
- Qual è lo scopo principale dell’omogeneizzazione? Lo scopo principale dell’omogeneizzazione è migliorare la stabilità e la consistenza di un prodotto riducendo le dimensioni delle particelle. Questo processo migliora le proprietà fisiche della miscela, come viscosità, struttura e durata di conservazione, rendendolo cruciale nella lavorazione degli alimenti e nei settori farmaceutico e cosmetico.
Scoprite di più sugli omogeneizzatori a ultrasuoni per alimenti! - Che cos’è l’omogeneizzazione a ultrasuoni? L’omogeneizzazione a ultrasuoni utilizza onde sonore ad alta frequenza per indurre cavitazione in un mezzo liquido, generando intense forze di taglio che frammentano le particelle a livello microscopico. Questo metodo è particolarmente efficace per la disgregazione cellulare, la dispersione di nanoparticelle e l’emulsificazione.
- Che cos’è la sonicazione per l’omogeneizzazione? La sonicazione per l’omogeneizzazione consiste nell’applicare energia ultrasonica ai campioni per ottenere una miscelazione fine e uniforme. Questo processo è efficace per disperdere, emulsionare e ridurre le dimensioni delle particelle all’interno di un fluido ed è ampiamente utilizzato sia nella ricerca sia in ambito industriale.
- Quali sono i 2 tipi di metodi di sonicazione? I due principali tipi di metodi di sonicazione sono la sonicazione diretta e quella indiretta. La sonicazione diretta consiste nell’immergere una sonda direttamente nel campione, mentre la sonicazione indiretta avviene in un bagno in cui i campioni vengono collocati in un contenitore immerso in un fluido adatto alla sonicazione. La sonicazione diretta è generalmente più intensa e più efficace per l’omogeneizzazione rispetto alla sonicazione indiretta.
Bibliografia / Riferimenti
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