ホモジナイザー – 動作原理、使用、スケールアップ

ホモジナイザーはミキサーの一種で、機械的力を加えて液体-液体および固液系をブレンド、乳化、分散、溶解します。ホモジナイザーモデルの回転せん断に応じて、ノズルまたは高出力超音波を使用して、固体粒子および液滴を崩壊および分解するために必要な力を作り出します。ホモジナイザーデバイスとその研究と生産への応用についてもっと学びましょう!

ホモジナイザーとは何ですか?

ホモジナイザーは、固体と液体の両方の粒子を均一な混合物に分解するように設計された混合装置のクラスです。ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、および研究および産業における様々な用途に使用される産業機器として入手可能である。ホモジナイザーの典型的な用途には、粒子、顔料、化学物質、植物、食品、細胞、組織などを含む様々な材料の混合および崩壊が含まれる。

さまざまなホモジナイザータイプの概要

ベンチトップおよび工業用大規模生産で使用するために、様々なタイプのホモジナイザーが市販されている。しかし、ローター/ステーター(コロイド)ミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザーは、最も広く使用されているモデルです。
インペラまたはブレードミキサー 紡糸刃を有し、混合容器の底部で高速で回転し、それによって様々な材料を均一な混合物に組み合わせる。
の名前として ローター/ステーターミキサー すでに、ローター/ステーターミキサーにはローターとステーターコンポーネントがあることを意味します。ローターは、ステーター内で高速で回転する金属シャフトです。ステータは、静止したままの金属部品です。ローターの回転は、固体がより小さい粒子サイズに減少するステーターとローターの間で固液材料を移動させる吸引効果を作り出します。
の作業原理 高圧ホモジナイザー(HPH) 高圧ポンプとバルブ(ノズル、オリフィス)の使用に基づいており、機器が大きく、重く、高価になります。処理されたスラリーは、粒子がバルブを通過するために特定の小さなサイズを必要とするため、粒子サイズが減少する小さなオリフィスを高い流速で強制される。特に固体を処理する場合、HPHは目詰まりを起こしやすい。
超音波ホモジナイザー 音響キャビテーションによって生成される高剪断力を使用すると、他の均質化技術に比べてさまざまな利点が得られます。超音波均質化の動作原理と利点を以下に示します。

均質化力としての高出力超音波

超音波ホモジナイザーは、非常に強いせん断力を作成するために高強度超音波振動とキャビテーションを使用し、したがって、超強烈な高せん断ミキサーと呼ぶことができます。超強烈な高剪断力の背後にある秘密は、高出力超音波によって生成される音響キャビテーションです。超音波ホモジナイザーは、電源および制御ユニットである発電機と、トランスデューサとを有する。トランスデューサには圧電セラミックスが内蔵されています。これらの圧電セラミックスは、圧電結晶が電圧を印加するとその大きさと形状が変化するため、電気エネルギーを振動に変換します。電子発振器の周波数が圧電水晶の固有振動数と等しいと、共振が生じる。共振条件下では、石英は大きな振幅の縦方向の超音波を生成する。
生成された超音波は、次いで、超音波プローブ(ソノトロード/ホーン)を介してプロセス媒体に結合される。超音波プローブでの振幅は、液体またはスラリーに送信される超音波の強度を決定します。超音波は、液体媒体中で交互に高圧および低圧サイクルを生成する。低圧サイクルの間、高強度超音波は液体中に小さな真空気泡を生成する。高圧サイクルの間、小さな真空気泡は破壊的に崩壊する。この現象をキャビテーションと呼びます。キャビテーション気泡の爆縮はまた、最大280m/sの高速で液体ジェットを生成し、強力なせん断力をもたらす可能性がある。剪断力は粒子を壊し、粒子間衝突を引き起こし、液滴および細胞を機械的に破壊し、同時に非常に効率的な物質移動を促進する。これらのキャビテーション力は、均一で均質な分散液、エマルジョンおよび懸濁液を生成し、化学反応(いわゆるソノケミストリー)を促進することも知られている。

音響キャビテーション(高出力超音波によって生成される)は、局所的に極端な条件、いわゆるソノメカニカルおよび音響化学的効果を作り出す。これらの効果のために、超音波処理は固体および液体粒子を減少させ、均質な製剤にそれらをブレンドする。

超音波ホモジナイザー – メリット

超音波ホモジナイザーは、固液(いわゆるスラリー)および液体液体懸濁液および溶液の製造に関しては、優れている。超音波装置は超音波キャビテーションの動作原理を使用するので、キャビテーションは液体中でのみ起こるので、材料は濡れているか、または湿った相にあるべきです。これは、超音波装置が乾燥粉末を混合するのに非常に効率的ではないことを意味しますが、粉末が濡れるとすぐに、超音波処理はブレンドのための最も効率的な方法です。超音波ホモジナイザーは、ペーストや高粘性材料でも確実に混合、ブレンド、分散することがよく知られています。キャビテーション気泡の爆縮によって引き起こされる非常に強い力は、非常に強力な高せん断力だけでなく、局所的に閉じ込められた高温および圧力ならびにそれぞれの差も作り出す。これらの物理的力の組み合わせは、従来のホモジナイザーよりもはるかに小さいサイズに粒子を破壊する。したがって、超音波ホモジナイザーは、ナノサイズのエマルジョンおよび分散液の信頼性の高い製造のための好ましい装置である。

超音波ホモジナイザーの用途

超音波ホモジナイザーは、固液および液体液体懸濁液を均質化し、粒子サイズを縮小し、生物学的物質を破壊および抽出し、化学反応を強化し、可溶性化合物を溶解するために、実験室および産業施設で広く使用されている。

超音波乳化

乳化は、安定または半安定な混合物を調製するために、2つ以上の非混和性液体を一緒にブレンドするプロセスである。一般に、これら2つの液体は、油相と水性(水)相からなる。異なる液相の混合物を安定化させるために、乳化剤(界面活性剤/共界面活性剤)が添加される。エマルジョンの液滴サイズは、エマルジョンの機能性と安定性に関して重要な役割を果たします。 パワー超音波は、液滴を分解し、微小な液滴にそれらを減少させる音響機械的な力を作成するので、超音波処理は、ミクロンおよびナノエマルジョンの製造のための非常に一般的な方法です。超音波ホモジナイザーは、O / WおよびW / Oエマルジョン、逆エマルジョン、二重エマルジョン(O / W / O、W / O / W)、ミニエマルジョン、ピッカリングエマルジョンを製造するための信頼性の高いツールです。この柔軟性と信頼性の高い乳化能力に基づいて、超音波ホモジナイザー(乳化に使用される場合、超音波乳化剤とも呼ばれることもあります)は、例えば、化学、食品、医薬品、および燃料産業において、長期的に安定したエマルジョンを製造するために使用されます。
詳細については、次のリンクをクリックしてください。 ナノエマルジョン、および ラムスデン現象！

超音波分散

超音波ホモジナイザーは、粒子凝集体、凝集体、さらには一次粒子を確実にサイズ縮小する必要がある場合に非常に効果的です。超音波ホモジナイザーの利点は、ミクロンまたはナノ粒子がプロセス結果として標的とされているかどうかにかかわらず、粒子をより小さく、より均一な粒子サイズに粉砕する能力である。キャビテーションせん断力と液体の流れは、粒子を加速して互いに衝突させます。これは、粒子間衝突と呼ばれます。粒子自体は粉砕媒体として機能し、従来のビーズミルを使用する場合に必要となる粉砕ビーズおよびその後の分離プロセスによる汚染を回避する。粒子同士の衝突は最大280m/秒という超高速で衝突するため、粒子に非常に高い力が加わり、微小な分画に砕け散ります。摩擦と浸食は、それらの粒子断片に研磨された表面と均一な形状の形態を与える。せん断力と粒子間衝突の組み合わせは、超音波均質化と分散に非常に均質なコロイド懸濁液と分散液を提供する有利なエッジを与えます!
下の画像シーケンスは、グラファイトフレーク上の超音波のキャビテーション力を示しています。

水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで)を使用して、 UP200S、200W超音波処理器 3mmソトロード付き。矢印は、分割を貫通するキャビテーション気泡で分割(剥離)の場所を示しています。
©・トゥルニナら 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

ナノ材料の分散と均質化

エマルジョンおよび分散液の両方にとって、ナノサイズの混合物の調製は困難な作業である。ブレードミキサー、ビーズミル、高圧ホモジナイザー、その他のミキサーなどの従来のホモジナイズおよびブレンド技術のほとんどは、ミクロンサイズの粒子を生成することができますが、液滴および固体をナノサイズまで確実に分解することはできません。これは主に強度が不十分なためです。例えば、ブレードミキサーは、粒子をナノサイズに破壊するのに十分な剪断力を提供しない。別のタイプのホモジナイザーであるビーズミルは、ビーズ(粉砕媒体)自体よりも細かい粒径に固体を均一に粉砕することができない。従来の粉砕ビーズの平均サイズは1,500mmです。 – 35,000ミリメートル。別の問題は、粉砕媒体の摩耗および裂け目による汚染である。超音波装置は非常に高い、まだ正確に制御可能なせん断力を提供するので、超音波キャビテーションは、実験室でのナノ分散およびナノエマルジョンの信頼性の高い製造のための好ましい技術である(R&D)、パイロット、および産業用セットアップ。

超音波均質化プロセスのスケールアップ

実験室の超音波ホモジナイザーからパイロット超音波装置にスケールアップするとき、そしてパイロットシステムから本格的な生産超音波ホモジナイザーにスケールアップするとき、スケールアップは完全に線形に適用することができます!振幅、圧力、温度、処理時間などのすべての重要なプロセスパラメータは一定に保たれ、プローブのエネルギー攪拌機としての超音波プローブと超音波装置の表面積のみが、より大きく、より強力なユニットにスケーリングされます。超音波均質化プロセスの線形スケーラビリティは、大規模な生産でラボやパイロットの設定と同じ高品質の結果を得ることができます。

あなたのプロセスに最適な超音波ホモジナイザーを見つけてください!

ヒールシャー超音波は、超音波ホモジナイザーのためのあなたの長年の経験豊富なパートナーです。すべてのヒールシャー超音波装置は、世界中のお客様に出荷する前に、ドイツの本社で設計、製造、テストされています。ヒールシャー超音波ホモジナイザーは、一定の高性能、信頼性、堅牢性、および使いやすさによってcharcterized高品質のデバイスです。超音波均質化技術の技術的洗練は、ヒールシャー機器のユーザーに競争上の優位性を与え、業界のマーケットリーダーにそれらを作ります。ラボやベンチトップホモジナイザー、パイロットシステム、商業生産のための完全工業用超音波ホモジナイザーからの幅広い製品範囲で、ヒールシャーはあなたの要件に理想的な超音波混合システムを持っています。マニホールドアクセサリーは、理想的な超音波ホモジナイザーのセットアップを可能にします – 個々のニーズに合致する。
プロセス要件と仕様を教えてください – 私達は喜んであなたの適用のための最も適した、有効な超音波ホモジナイザーを推薦します!

超音波ホモジナイザーによる高効率

並外れたプロセス効率、合理的な投資コスト、非常に高いエネルギー効率と低い労働およびメンテナンスコストのために、ヒールシャー超音波ホモジナイザーは従来の均質化技術を凌駕し、高速RoI(投資収益率)を達成します。多くの場合、超音波ホモジナイザーは数ヶ月以内に償却されます。

工業用均質化のための高出力超音波

振幅は、超音波駆動の均質化プロセスにおいて最も重要なプロセスパラメータです。すべてのヒールシャー超音波装置は、振幅の正確な制御を可能にします。プロセスターゲットに応じて、より穏やかな処理条件のためにより低い振幅を設定するか、より破壊的な分散結果のために高振幅を選択することができます。ヒールシャー超音波’ 産業用超音波プロセッサは非常に高い振幅を提供することができます。最大200μmの振幅は、24時間365日の操作で簡単に連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。

超音波ホモジナイザーの低メンテナンス要件

超音波ホモジナイザーは、ソノトロードと反応器が濡れた部品であり、処理された材料と接触する唯一のコンポーネントであるため、清掃が容易であるだけではありません。ソノトロード(超音波ホーンまたはプローブとしても知られている)および反応器は、それぞれチタンおよびステンレス鋼から作られており、オリフィスまたはデッドコーナーのないクリーンな形状を有する。
摩耗や損傷を受ける唯一の部品は超音波プローブであり、操作に大きな混乱を与えることなく交換することができます。ラボ超音波装置のソノトロードは約10分以内に変更されますが、工業用超音波ホモジナイザーのソノトロードの変更には約30〜45分かかることがあります。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：