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、機械的な力を加えて、液液系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、固体粒子や液滴を分解して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および生産におけるアプリケーションについての詳細をご覧ください。

ホモジナイザーとは?

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一種です。ホモジナイザーは、研究や産業のさまざまな用途に使用される実験室、ベンチトップ、および産業機器として利用できます。ホモジナイザーの典型的な用途には、粒子、顔料、化学薬品、植物、食品、細胞、組織など、さまざまな材料の混合と崩壊が含まれます。

ホモジナイザー、超音波処理、および当社の超音波処理器をお客様のプロセスに使用する方法の詳細については、お問い合わせください。

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の大規模生産で使用するために、さまざまなタイプのホモジナイザーが市販されています。ただし、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、および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には、撹拌容器の底部で高速で回転する回転ブレードがあり、さまざまな材料を均質な混合物に結合します。
ローター/ステーターミキサーの名前がすでに示しているように、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ります。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。ステーターは、静止したままの金属部分です。ローターの回転により、固定子と回転子の間で固液材料を移動させる吸引効果が生まれ、そこで固体はより小さな粒子サイズに縮小されます。
高圧ホモジナイザー(HPH)の動作原理は、高圧ポンプとバルブ(ノズル、オリフィス)の使用に基づいているため、機器は大きく、重く、高価になります。処理されたスラリーは、小さなオリフィスを通って高い流速で押し出され、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、粒子サイズが小さくなります。特に固形物を処理する場合、HPHは目詰まりしやすいです。
超音波ホモジナイザーは、音響キャビテーションによって生成される高せん断力を使用するため、他の均質化技術に比べてさまざまな利点があります。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、高強度の超音波振動とキャビテーションを使用して非常に強いせん断力を作り出すため、超高強度の高せん断ミキサーと呼ぶことができます。この超強烈な高剪断力の秘密は、高出力の超音波によって生成される音響キャビテーションにあります。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ーを備えています。トランスデューサには圧電セラミックスが含まれています。これらの圧電セラミックスは、電圧が印加されると圧電結晶のサイズ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石の固有振動数と等しい場合、共振が発生します。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します。
生成された超音波は、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ます。超音波プローブの振幅は、液体またはスラリーに伝達される超音波の強度を決定します。超音波は、液体媒体中で高圧と低圧の交互サイクルを生成します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡を生成します。高圧サイクル中、小さな真空気泡が破壊的に崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。キャビテーション気泡の爆縮は、最大280 m/sの高速で液体ジェットを生成することもあり、強力なせん断力をもたらします。せん断力は粒子を破壊し、粒子間衝突を引き起こし、液滴や細胞を機械的に破壊し、同時に高効率の物質移動を促進します。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、懸濁液を生成し、化学反応を促進することも知られています(いわゆるソノケミストリー)。

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、いわゆる音響機械的および音響化学的効果を作り出します。これらの効果により、超音波処理は固体および液体の粒子を減らし、それらを均質な製剤にブレンドします。

超音波ホモジナイザー – 利点

超音波ホモジナイザーは、固液(いわゆるスラリー)および液液懸濁液および溶液の製造に関しては優れています。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ため、キャビテーションは液体中でのみ発生するため、材料は湿っているか、または湿潤相にある必要があります。これは、超音波装置が乾燥粉末を混合するのにあまり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、ペーストや高粘度の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と圧力、およびそれぞれの差も生み出します。これらの物理的な力の組み合わせにより、粒子は従来のホモジナイザーよりもはるかに小さなサイズに破壊されます。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に適した装置である。

超音波ホモジナイザーの応用

超音波ホモジナイザーは、固液および液液懸濁液を均質化し、粒子サイズを縮小し、生物学的材料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、実験室および工業施設で広く使用されています。

超音波乳化

乳化とは、安定または半安定の混合物を調製するために、2つ以上の非混和性液体を混合するプロセスです。一般に、これら2つの液体は、油相と水相(水)相で構成されています。異なる液相の混合物を安定させるために、乳化剤(界面活性剤/共界面活性剤)が添加されます。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、それらを微細な液滴に還元する音響機械的な力を作り出すので、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ある。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、ダブルエマルジョン(O / W / O、W / O / W)、ミニエマルジョン、およびピッカリングエマルジョンの製造の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は超音波乳化剤とも呼ばれることもあります)は、化学、食品、製薬、および燃料業界などで使用され、長期的に安定したエマルジョンを製造しています。
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 そして ピッカリングエマルジョン!

超音波分散液

超音波ホモジナイザーは、粒子の凝集、凝集体、さらには一次粒子を確実にサイズを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の粒子がプロセスの結果として対象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す。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、粒子間衝突として知られています。粒子自体が粉砕媒体として機能するため、従来のビーズミルを使用する場合に必要なビードの粉砕とその後の分離プロセスによる汚染を回避できます。粒子は最大280m/秒の超高速で粒子間衝突によって衝突するため、粒子に非常に高い力が加わり、粒子は微小に砕け散ります。摩擦と侵食により、これらの粒子片は研磨された表面と均一な形状になります。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有利なエッジを与え、非常に均質なコロイド懸濁液と分散を提供します!
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) UP200S、200W超音波装置 3mmソノトロード付き。矢印は、キャビテーションバブルがスプリットを貫通するスプリット(剥離)の場所を示しています。
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

ナノ材料の分散・均質化

エマルジョンとディスパージョンの両方にとって、ナノサイズの混合物の調製は困難な作業です。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、従来のほとんどの均質化およびブレンド技術は、ミクロンサイズの粒子を生成することができますが、液滴や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であることが原因です。例えば、ブレードミキサーは、粒子をナノサイズに分解するのに十分なせん断を提供しません。ホモジナイザーの一種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子サイズまで固形物を均一に粉砕することはできません。従来の研削ビーズの平均サイズは1,500mmです – 35,000ミリメートル。もう一つの問題は、粉砕媒体の摩耗による汚染です。超音波装置は非常に高いが、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生産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

実験室用超音波ホモジナイザーからパイロット超音波装置へ、そしてパイロットシステムからフルスケール生産用超音波ホモジナイザーへのスケールアップを行うと、スケールアップは完全に直線的に適用できます。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、超音波プローブの表面積とプローブのエネルギー攪拌機としての超音波処理装置のみが、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、大量生産で実験室やパイロット設定と同じ高品質の結果を得ることを可能にします。

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、および使いやすさを特徴とする高品質のデバイスです。超音波均質化技術の技術的な洗練は、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彼らを作ります。実験室やベンチトップホモジナイザー、パイロットシステム、商業生産用の全工業用超音波ホモジナイザーから幅広い製品範囲で、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により、理想的な超音波ホモジナイザーのセットアップが可能になります – 個々のニーズにマッチします。
お客様のプロセス要件と仕様をお聞かせください – 私たちはあなたにあなたのアプリケーションに最も適した効率的な超音波ホモジナイザーを喜んでお勧めします!

超音波ホモジナイザーを使用した高効率

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、低い人件費とメンテナンスコストにより、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で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したり、より破壊的な分散結果を得るために高い振幅を選択したりすることができます。ヒールシャー工業用超音波処理器は、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、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。

超音波ホモジナイザーのメンテナンス要件が低い

超音波ホモジナイザーは、ソノトロードとリアクターが湿った部品であり、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、洗浄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も呼ばれます)とリアクターは、それぞれチタンとステンレス鋼で作られており、オリフィスやデッドコーナーのないすっきりとした形状を備えています。
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、操作に大きな中断を与えることなく交換できます。実験室用超音波装置のソノトロードは約10分以内に交換されますが、工業用超音波ホモジナイザーのソノトロードの交換は約30〜45分かかる場合があります。

今すぐお問い合わせください!私たちの経験豊富なチームは、技術情報とプロセス関連の推奨事項を提供してうれしいです!

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。