균질기 – 작동 원리, 사용 및 규모 확대

균질기는 기계적 힘을 가하여 액체–액체 및 고체–액체 계를 혼합, 유화, 분산 및 용해하는 혼합기의 일종입니다. 균질기 모델에 따라 회전 전단력, 노즐 또는 고출력 초음파를 이용하여 고체 입자와 액적을 파쇄하고 분해하는 데 필요한 힘을 생성합니다. 균질기 장치와 연구 및 생산 분야에서의 활용에 대해 자세히 알아보세요!

균질기란 무엇인가요?

균질기는 고체 입자와 액체 입자를 모두 잘게 분해하여 균일한 혼합물을 만들도록 설계된 혼합 장치의 한 종류입니다. 균질기는 연구 및 산업 분야의 다양한 용도에 사용되는 실험실용, 탁상형 및 산업용 장비로 제공됩니다. 균질기의 대표적인 용도로는 입자, 안료, 화학물질, 식물, 식품, 세포, 조직 등을 포함한 다양한 물질의 혼합과 파쇄가 있습니다.

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다양한 균질기 유형 개요

탁상형 및 산업용 대규모 생산에 사용할 수 있는 다양한 유형의 균질기가 시판되고 있습니다. 그러나 로터/스테이터(콜로이드) 혼합기, 고압 균질기 및 초음파 균질기가 가장 널리 사용되는 모델입니다.
임펠러 또는 블레이드 혼합기는 혼합 용기 바닥에서 고속으로 회전하는 날을 갖추고 있어 다양한 물질을 균일한 혼합물로 만듭니다.
로터/스테이터 혼합기라는 이름에서 알 수 있듯이, 로터/스테이터 혼합기에는 회전자와 고정자 구성 요소가 있습니다. 회전자는 고정자 내부에서 고속으로 회전하는 금속 축입니다. 고정자는 움직이지 않고 고정되어 있는 금속 부품입니다. 회전자의 회전은 흡입 효과를 발생시켜 고체–액체 물질을 고정자와 회전자 사이로 이동시키며, 이곳에서 고체의 입자 크기가 더 작아집니다.
고압 균질기(HPH)의 작동 원리는 고압 펌프와 밸브(노즐, 오리피스)의 사용을 기반으로 하므로 장비가 크고 무거우며 고가입니다. 처리되는 슬러리는 높은 유속으로 작은 오리피스를 통과하도록 강제로 밀려납니다. 입자가 밸브를 통과하려면 일정 수준 이하로 작아야 하므로 이 과정에서 입자 크기가 감소합니다. 특히 고체를 처리할 때 HPH는 막힘이 발생하기 쉽습니다.
초음파 균질기는 음향 캐비테이션으로 발생하는 높은 전단력을 이용하므로 다른 균질화 기술에 비해 다양한 장점이 있습니다. 초음파 균질화의 작동 원리와 이점은 아래에 설명되어 있습니다.

균질화 힘으로서의 고출력 초음파

초음파 균질기는 고강도 초음파 진동과 캐비테이션을 이용해 매우 강력한 전단력을 생성하므로 초고강도 고전단 혼합기라고도 할 수 있습니다. 초고강도 고전단력의 비결은 고출력 초음파에 의해 생성되는 음향 캐비테이션입니다. 초음파 균질기는 전원 공급 및 제어 장치인 발진기와 변환기로 구성됩니다. 변환기에는 압전 세라믹이 들어 있습니다. 압전 결정은 전압이 가해지면 크기와 형태가 변하므로, 이 압전 세라믹은 전기 에너지를 진동으로 변환합니다. 전자 발진기의 주파수가 압전 석영의 고유 주파수와 같아지면 공진이 발생합니다. 공진 조건에서 석영은 진폭이 큰 종방향 초음파를 생성합니다.
이렇게 생성된 초음파는 초음파 프로브(소노트로드 / 혼)를 통해 공정 매질로 전달됩니다. 초음파 프로브의 진폭은 액체 또는 슬러리에 전달되는 초음파의 강도를 결정합니다. 초음파는 액체 매질에서 고압 주기와 저압 주기를 번갈아 발생시킵니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포를 생성합니다. 고압 주기 동안 작은 진공 기포는 파괴적으로 붕괴합니다. 이러한 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 최대 280 m/s의 빠른 액체 제트를 생성하여 강력한 전단력을 발생시킬 수도 있습니다. 전단력은 입자를 파쇄하고 입자 간 충돌을 일으키며 액적과 세포를 기계적으로 파괴하는 동시에 매우 효율적인 물질 전달을 촉진합니다. 이러한 캐비테이션 힘은 균일하고 균질한 분산액, 에멀젼 및 현탁액을 생성하며, 화학 반응을 촉진하는 것으로도 알려져 있습니다(이른바 초음파 화학).

음향 캐비테이션(고출력 초음파에 의해 생성됨)은 국소적으로 극한 조건, 즉 이른바 초음파 기계적 효과와 초음파 화학적 효과를 만들어 냅니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 고체 및 액체 입자의 크기를 줄이고 이를 혼합하여 균질한 제형을 만듭니다.

초음파 처리기를 균질기로 사용할 때의 장점

초음파 균질기는 고체–액체(이른바 슬러리) 및 액체–액체 현탁액과 용액의 제조에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 초음파 처리기는 초음파 캐비테이션의 작동 원리를 이용하며 캐비테이션은 액체에서만 발생하므로, 재료는 젖어 있거나 습윤 상태여야 합니다. 이는 초음파 처리기가 건조 분말을 혼합할 때는 그다지 효율적이지 않겠지만, 분말이 젖는 즉시 초음파 처리가 가장 효율적인 혼합 방법이 된다는 뜻입니다. 초음파 균질기는 페이스트와 고점도 재료까지도 안정적으로 혼합하고 섞고 분산시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 캐비테이션 기포의 내파로 발생하는 극도로 강력한 힘은 매우 강력한 고전단력뿐만 아니라 국소적으로 한정된 고온과 고압, 그리고 각각의 온도차와 압력차도 생성합니다. 이러한 물리적 힘의 조합은 기존 균질기보다 훨씬 작은 크기로 입자를 파쇄합니다. 따라서 초음파 균질기는 나노 크기의 에멀젼과 분산액을 안정적으로 제조하기 위해 선호되는 장비입니다.

초음파 균질기의 응용 분야

초음파 균질기는 실험실 및 산업 시설에서 고체–액체 및 액체–액체 현탁액의 균질화, 입자 크기 감소, 생물학적 물질의 파쇄 및 추출, 화학 반응 촉진, 가용성 화합물의 용해에 널리 사용됩니다.

초음파 유화

유화는 서로 섞이지 않는 두 가지 이상의 액체를 혼합하여 안정적이거나 준안정적인 혼합물을 만드는 공정입니다. 일반적으로 이 두 액체는 유상과 수상(물)으로 구성됩니다. 서로 다른 액체상의 혼합물을 안정화하기 위해 유화제(계면활성제 / 보조 계면활성제)를 첨가합니다. 에멀젼의 액적 크기는 에멀젼의 기능성과 안정성에 결정적인 역할을 합니다. 고출력 초음파는 액적을 분해하여 미세한 액적으로 만드는 초음파 기계적 힘을 생성하므로, 초음파 처리는 마이크로 및 나노 에멀젼 생산에 매우 널리 사용되는 방법입니다. 초음파 균질기는 O/W 및 W/O 에멀젼, 역상 에멀젼, 이중 에멀젼(O/W/O, W/O/W), 미니 에멀젼 및 피커링 에멀젼을 생산하는 신뢰할 수 있는 도구입니다. 이러한 유연성과 신뢰할 수 있는 유화 능력을 바탕으로, 초음파 균질기(유화에 사용할 때는 초음파 유화기라고도 함)는 예를 들어 화학, 식품, 제약 및 연료 산업에서 장기간 안정적인 에멀젼을 생산하는 데 사용됩니다.
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초음파 분산

초음파 균질기는 입자의 응집체, 응결체, 심지어 일차 입자까지도 크기를 확실하게 줄여야 할 때 매우 효과적입니다. 초음파 균질기의 장점은 공정 결과로 마이크로 입자를 목표로 하든 나노 입자를 목표로 하든, 입자를 더 작고 균일한 크기로 분쇄할 수 있다는 점입니다. 캐비테이션에 의한 전단력과 액체 흐름은 입자를 가속하여 서로 충돌하게 합니다. 이를 입자 간 충돌이라고 합니다. 입자 자체가 분쇄 매체로 작용하므로, 기존 비드 밀을 사용할 때 발생하는 분쇄 비드에 의한 오염과 그에 따른 필수적인 후속 분리 공정을 피할 수 있습니다. 입자 간 충돌은 최대 280m/sec의 매우 빠른 속도로 일어나므로, 입자에 매우 큰 힘이 작용하여 입자가 미세한 조각으로 부서집니다. 마찰과 침식은 이러한 입자 조각에 매끄러운 표면과 균일한 형상을 부여합니다. 전단력과 입자 간 충돌의 조합은 초음파 균질화 및 분산에 경쟁 우위를 부여하여 매우 균질한 콜로이드 현탁액과 분산액을 제공합니다!
아래의 연속 사진은 흑연 박편에 작용하는 초음파의 캐비테이션 힘을 보여 줍니다.

물속에서 흑연 박편의 초음파 기계적 박리를 보여 주는 고속 연속 영상(a부터 f까지)입니다. 이때 사용한 장비는 200W 초음파 처리기 UP200S 및 3-mm 소노트로드입니다. 화살표는 캐비테이션 기포가 갈라진 틈으로 침투하는 분리(박리) 지점을 나타냅니다.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

나노물질의 분산 및 균질화

에멀션과 분산액 모두에서 나노 크기의 혼합물을 제조하는 것은 까다로운 과제입니다. 블레이드 믹서, 비드 밀, 고압 균질기 및 기타 혼합기와 같은 대부분의 기존 균질화 및 혼합 기술은 마이크로미터 크기의 입자를 생성할 수 있지만, 액적과 고체를 나노 크기까지 안정적으로 분쇄하지는 못합니다. 이는 주로 강도가 충분하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 블레이드 믹서는 입자를 나노 크기로 분쇄하는 데 충분한 전단력을 제공하지 못합니다. 또 다른 유형의 균질기인 비드 밀은 비드(분쇄 매체) 자체보다 더 미세한 입자 크기로 고체를 균일하게 분쇄할 수 없습니다. 기존 분쇄 비드의 평균 크기는 1,500 mm – 35,000 mm 사이입니다. 또 다른 문제는 분쇄 매체의 마모로 인한 오염입니다. 초음파 처리기는 매우 높으면서도 정밀하게 제어할 수 있는 전단력을 제공하므로, 초음파 캐비테이션은 실험실(R&D), 파일럿 및 산업 설비에서 나노 분산액과 나노 에멀션을 안정적으로 생산하는 데 선호되는 기술입니다.

초음파 균질화 공정의 규모 확대

실험실용 초음파 균질기에서 파일럿 초음파 처리기로, 그리고 파일럿 시스템에서 본격적인 생산용 초음파 균질기로 규모를 확대할 때, 완전히 선형적인 규모 확대를 적용할 수 있습니다! 진폭, 압력, 온도 및 처리 시간과 같은 모든 중요한 공정 매개변수는 일정하게 유지하며, 초음파 프로브의 표면적과 프로브에 에너지를 공급하여 진동시키는 초음파 처리기만 더 크고 강력한 장치로 확대합니다. 초음파 균질화 공정의 선형적인 규모 확대 특성 덕분에 대규모 생산에서도 실험실 및 파일럿 환경과 동일한 고품질 결과를 얻을 수 있습니다.

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Hielscher Ultrasonics는 초음파 균질기 분야에서 오랜 경험을 갖춘 파트너입니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 독일 본사에서 설계, 제조 및 시험을 거친 후 전 세계 고객에게 배송됩니다. Hielscher 초음파 균질기는 일관된 고성능, 신뢰성, 견고함 및 사용자 편의성을 특징으로 하는 고품질 장치입니다. 초음파 균질화 기술의 정교함은 Hielscher 장비 사용자에게 경쟁 우위를 제공하여 해당 업계의 시장 선도자가 되게 합니다. 실험실용 및 탁상형 균질기부터 파일럿 시스템과 상업 생산용 본격적인 산업용 초음파 균질기까지 폭넓은 제품군을 갖춘 Hielscher는 귀하의 요구 사항에 이상적인 초음파 혼합 시스템을 제공합니다. 다양한 액세서리를 통해 개별 요구에 맞는 이상적인 초음파 균질기 구성을 구현할 수 있습니다.
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초음파 균질기를 사용한 높은 효율

탁월한 공정 효율, 합리적인 투자 비용, 매우 높은 에너지 효율, 낮은 인건비 및 유지보수 비용 덕분에 Hielscher 초음파 균질기는 기존 균질화 기술보다 우수한 성능을 발휘하고 투자금을 빠르게 회수할 수 있게 합니다(RoI, 투자 수익률). 초음파 균질기의 투자비는 흔히 몇 개월 이내에 회수됩니다.

산업용 균질화를 위한 고출력 초음파

진폭은 초음파를 이용한 균질화 공정에서 가장 중요한 공정 매개변수입니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 진폭을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 공정 목표에 따라 더 온화한 처리 조건을 위해 낮은 진폭을 설정하거나, 더 강력한 파쇄를 수반하는 분산 결과를 위해 높은 진폭을 선택할 수 있습니다. Hielscher 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.

초음파 균질기의 적은 유지보수 요구사항

초음파 균질기는 소노트로드와 반응기만 처리 물질과 접촉하는 접액 부품이므로 세척도 용이합니다. 소노트로드(초음파 혼 또는 프로브라고도 함)와 반응기는 각각 티타늄과 스테인리스강으로 제작되며, 오리피스나 사각지대가 없는 깔끔한 형상을 갖추고 있습니다.
마모되는 유일한 부품은 초음파 프로브이며, 작동에 큰 지장을 주지 않고 교체할 수 있습니다. 실험실용 초음파 처리기의 소노트로드는 약 10 min 이내에 교체할 수 있으며, 산업용 초음파 균질기의 소노트로드 교체에는 약 30–45 min이 걸릴 수 있습니다.

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아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: