ホモジナイザー – 動作原理、使用方法、スケールアップ

ホモジナイザーはミキサーの一種であり、液体-液体、固体-液体系の混合、乳化、分散、溶解に機械的な力を加える。ホモジナイザーのモデルによっては、回転せん断、ノズル、または高出力超音波を使用して、液体液滴と同様に固体粒子を分解し、砕くために必要な力を発生させます。ホモジナイザーの詳細と、研究および生産におけるアプリケーションについては、こちらをご覧ください！

ホモジナイザーとは？

ホモジナイザーは混合装置の一種であり、固体および液体の粒子を均一な混合物にするように設計されている。ホモジナイザーは、研究室用、卓上用、工業用機器として利用可能であり、研究や産業における様々な用途に使用されている。ホモジナイザーの代表的な用途には、粒子、顔料、化学物質、植物、食品、細胞、組織など、様々な材料の混合と分解が含まれます。

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各種ホモジナイザーの概要

様々なタイプのホモジナイザーが市販されており、ベンチトップや工業的な大量生産に使用されている。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が最も広く使用されている。
インペラーまたはブレードミキサーは、回転するブレードを持ち、このブレードがミキシング容器の底部で高速回転することにより、様々な材料を均質な混合物にする。
ローター／ステーター・ミキサーという名称がすでに暗示しているように、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がある。ローターは、ステーター内で高速回転する金属シャフトである。ステーターは静止している金属部分である。ローターの回転が吸引効果を生み出し、固液材料をステーターとローターの間に移動させ、固形物をより小さな粒径にする。
高圧ホモジナイザー（HPH）の作動原理は、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、装置が大きく、重く、高価になる。処理されたスラリーは、小さなオリフィスを高い流速で強制的に通過させられるが、粒子がバルブを通過するためには一定の小さなサイズが必要であるため、粒径が小さくなる。特に固形物を処理する場合、HPHは詰まりやすい。
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発生する高いせん断力を利用するため、他のホモジナイザーに比べて様々な利点がある。超音波ホモジナイザーの動作原理と利点を以下に示す。

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利用して非常に強いせん断力を発生させるため、超高強度ハイシアミキサーと呼ぶことができる。超強力な高剪断力の秘密は、高出力の超音波によって発生する音響キャビテーションである。超音波ホモジナイザーには、電源および制御ユニットであるジェネレーターと、トランスデューサーがある。振動子には圧電セラミックスが使われている。この圧電セラミックスは、電圧を加えると圧電結晶の大きさや形が変化するため、電気エネルギーを発振に変換する。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き、共振が起こる。共振状態では、水晶は大きな振幅の縦波超音波を発生する。
発生した超音波は、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。超音波プローブでの振幅が超音波の強度を決定し、超音波は液体またはスラリーに伝達されます。超音波は液体媒体中に高圧と低圧のサイクルを交互に発生させます。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バブルを発生させる。高圧サイクルの間、小さな真空気泡は破壊的に崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。キャビテーション気泡のインプロージョンにより、最大280m/sの高速液体ジェットが発生し、強力なせん断力が生じます。せん断力は粒子を破壊し、粒子間の衝突を引き起こし、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、乳化液、懸濁液を生成し、化学反応（いわゆるソノケミストリー）を促進することでも知られています。

音響キャビテーション（高出力超音波により発生）は、いわゆるソノメカニカル効果やソノケミカル効果と呼ばれる局所的な極限状態を作り出します。これらの効果により、超音波処理では固体および液体の粒子が減少し、均質な製剤に混合されます。

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）や液-液の懸濁液や溶液を製造する場合に優れています。超音波ホモジナイザーは超音波キャビテーションの作動原理を利用しているため、キャビテーションは液体中でしか発生しないため、材料は湿潤または湿潤相でなければならない。つまり、乾燥粉末の混合には超音波処理機はあまり効率的ではないが、粉末が湿潤状態になれば、超音波処理が最も効率的な混合方法となる。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、分散できることで知られている。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・高圧やそれぞれの差圧を生み出します。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ションや分散液を確実に製造するのに適した装置です。

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-液の懸濁液の均質化、粒子径の縮小、生物学的物質の破壊と抽出、化学反応の強化、可溶性化合物の溶解などに、実験室や産業施設で広く使用されている。

超音波乳化

乳化とは、安定または半安定な混合物を調製するために、2つ以上の混じり合わない液体を混ぜ合わせることである。一般的に、これらの2つの液体は油相と水相からなる。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）が添加される。エマルションの液滴サイズは、エマルシ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。 超音波は音波力学的な力を発生させ、液滴を分解して微小な液滴にするため、超音波処理法はミクロンやナノのエマルションを製造する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エマルション、逆エマルション、ダブルエマルション（O/W/O、W/O/W）、ミニエマルション、さらにピッカリングエマルシ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より、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機とも呼ばれる）は、化学、食品、医薬品、燃料産業などで、長期的に安定したエマルションを製造するために使用されています。
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超音波分散

超音波ホモジナイザーは、粒子の凝集塊、凝集体、さらには一次粒子を確実に小さくする必要がある場合に非常に有効です。超音波ホモジナイザーの利点は、ミクロン粒子であれナノ粒子であれ、粒子をより小さく均一に粉砕できることです。キャビテーションせん断力と液流により粒子は加速され、互いに衝突します。これは粒子間衝突として知られています。粒子そのもの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した場合に必要であった、粉砕ビーズによるコンタミネーションやその後の分離工程を回避することができます。最大280m/secの超高速で粒子同士が衝突するため、粒子には非常に大きな力が加わり、その結果、粒子は微細な破片に砕け散ります。摩擦と浸食により、これらの粒子片は研磨された表面と均一な形状になる。せん断力と粒子間衝突の組み合わせにより、超音波ホモジナイザーと超音波分散は、高度に均質なコロイド懸濁液と分散液を提供する優位性を発揮します！
下の一連の写真は、グラファイトフレークに対する超音波のキャビテーション力を示している。

を用いた水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 200W 超音波発生器 UP200S 3mmソノトロードを使用。矢印はキャビテーション気泡が貫通し、分裂（剥離）している箇所を示す。
Tyurnina et al. (cc by-nc-nd 4.0)

ナノ材料の分散と均質化

エマルションとディスパージョンのいずれにおいても、ナノサイズの混合物の調製は困難な課題である。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、従来の均質化・混合技術のほとんどは、ミクロンサイズの粒子を製造することはできるが、液滴や固形物をナノサイズまで確実に分解することはできない。これは主に強度不足によるものである。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せん断力を提供しない。また、ホモジナイザーの一種であるビーズミルでは、固形物をビーズ（粉砕媒体）そのものよりも細かい粒径まで均一に粉砕することはできない。従来の粉砕ビーズの平均粒径は1,500 mmである。 – 35,000 mmである。もう一つの問題は、粉砕媒体の磨耗や破損による汚染である。超音波キャビテーションは、非常に高い剪断力を正確に制御できるため、ラボでのナノ分散液やナノエマルションの確実な製造に適した技術です。&D）、パイロット、工業用セットアップ。

超音波ホモジナイジング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用超音波発生器へ、パイロットシステムから本格的な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場合、スケールアップは完全にリニアに適用できる！振幅、圧力、温度、処理時間などの重要なプロセスパラメーターはすべて一定に保たれ、超音波プローブの表面積とプローブのエネルギー攪拌装置としての超音波発生装置だけが、より大きく、より強力なユニットにスケールアップされます。超音波ホモジナイゼーションプロセスの直線的なスケーラビリティは、ラボやパイロット設定と同じ高品質の結果を大量生産で得ることを可能にします。

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Hielscher Ultrasonicsは、超音波ホモジナイザーの長年の経験豊かなパートナーです。Hielscher社の超音波ホモジナイザーは全てドイツ本社で設計、製造、テストされ、世界中のお客様に出荷されています。Hielscher社の超音波ホモジナイザーは、常に高性能、信頼性、堅牢性、使いやすさを特徴とする高品質の装置です。超音波ホモジナイザー技術の洗練された技術力は、Hielscherの機器のユーザーに競争上の優位性を与え、業界におけるマーケットリーダーとなっています。ラボ用、ベンチトップ用ホモジナイザー、パイロットシステムから商業生産用のフル産業用超音波ホモジナイザーまで、幅広い製品レンジにより、Hielscherはお客様のご要望に最適な超音波ミキシングシステムをご提供いたします。超音波ホモジナイザーの理想的なセットアップを可能にするマニホールドアクセサリー – 個々のニーズに合わせて
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超音波ホモジナイザーの高効率化

Hielscher社の超音波ホモジナイザーは、卓越したプロセス効率、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、従来のホモジナイザー技術に打ち勝ち、迅速なRoI（投資収益率）を実現します。多くの場合、超音波ホモジナイザーは数ヶ月で償却されます。

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ホモジナイゼーションプロセスにおいて最も重要なプロセスパラメータです。Hielscher社製の超音波発生装置はすべて、振幅を正確に制御することができます。プロセスターゲットに応じて、よりマイルドな処理条件には低振幅を、より破壊的な分散結果には高振幅を設定することができます。Hielscherの工業用ソニケーターは、非常に高い振幅を出すことができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が可能です。さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。

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、ソノトロードとリアクターが唯一の湿潤部品であり、処理材料と接触するため、洗浄が容易な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る）とリアクターは、それぞれチタンとステンレスから作られ、オリフィスやデッドコーナーのないクリーンな形状をしています。
消耗が激しいのは超音波プローブだけで、操作に大きな支障をきたすことなく交換できます。ラボ用超音波発生器のソノトロードは約10分で交換できますが、工業用超音波ホモジナイザーのソノトロードの交換には約30～45分かかります。

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：