균질 – 작동 원리, 사용 및 확장

균질화기는 액체-액체 및 고체-액체 시스템을 혼합, 유화, 분산 및 용해시키기 위해 기계적 힘을 가하는 믹서 유형입니다. 균질화기 모델에 따라 회전 전단, 노즐 또는 고출력 초음파를 사용하여 고체 입자와 액체 방울을 분해하고 분해하는 데 필요한 힘을 생성합니다. 균질화기 장치와 연구 및 생산에서의 응용 분야에 대해 자세히 알아보십시오!

균질화기란 무엇입니까?

균질화기는 고체와 액체 입자를 균일한 혼합물로 분리하도록 설계된 혼합 장치의 한 종류입니다. 균질화기는 실험실, 벤치탑 및 연구 및 산업의 다양한 응용 분야에 사용되는 산업 장비로 사용할 수 있습니다. 균질화기의 일반적인 응용 분야에는 입자, 안료, 화학 물질, 식물, 식품, 세포, 조직을 포함한 다양한 재료의 혼합 및 분해가 포함됩니다.

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다양한 Homogenizer 유형에 대한 개요

다양한 균질화기 유형은 벤치 탑 및 산업용 대규모 생산에 사용하기 위해 상업적으로 이용 가능합니다. 그러나 회전자/고정자(콜로이드) 믹서, 고압 균질화기 및 초음파 균질화기가 가장 널리 사용되는 모델입니다.
임펠러 또는 블레이드 믹서에는 혼합 용기 바닥에서 고속으로 회전하여 다양한 재료를 균일한 혼합물로 결합하는 회전 블레이드가 있습니다.
회전자/고정자 믹서의 이름에서 이미 알 수 있듯이 회전자/고정자 믹서에는 회전자와 고정자 구성 요소가 있습니다. 회전자는 고정자 내에서 고속으로 회전하는 금속 샤프트입니다. 고정자는 고정되어 있는 금속 부품입니다. 회전자의 회전은 고정자와 회전자 사이에서 고체-액체 물질을 이동시키는 흡입 효과를 생성하며, 여기서 고체는 더 작은 입자 크기로 감소합니다.
고압 균질화기(HPH)의 작동 원리는 고압 펌프와 밸브(노즐, 오리피스)를 사용하여 장비를 크고 무겁고 비싸게 만드는 것입니다. 처리 된 슬러리는 작은 오리피스를 통해 높은 유속으로 강제되며, 입자가 밸브를 통과하기 위해 특정 작은 크기가 필요하기 때문에 입자 크기가 줄어 듭니다. 특히 고체를 처리할 때 HPH는 막히기 쉽습니다.
초음파 균질화기는 음향 캐비테이션에 의해 생성되는 높은 전단력을 사용하므로 다른 균질화 기술에 비해 다양한 이점이 있습니다. 초음파 균질화의 작동 원리와 이점은 다음과 같습니다.

균질화력으로서의 고출력 초음파

초음파 균질화기는 고강도 초음파 진동과 캐비테이션을 사용하여 매우 강렬한 전단력을 생성하므로 초강력 고 전단 믹서라고 할 수 있습니다. 초강력 고전단력의 비밀은 고출력 초음파에 의해 생성되는 음향 캐비테이션입니다. 초음파 균질화기에는 전원 공급 장치 및 제어 장치인 발전기와 변환기가 있습니다. 변환기에는 압전 세라믹이 포함되어 있습니다. 이 압전 세라믹은 전압이 가해지면 압전 결정의 크기와 모양이 변하기 때문에 전기 에너지를 진동으로 변환합니다. 전자 발진기의 주파수가 압전 석영의 고유 주파수와 같을 때 공진이 발생합니다. 공명 조건에서 석영은 큰 진폭의 세로 초음파를 생성합니다.
생성 된 초음파는 초음파 프로브 (sonotrode / horn)를 통해 공정 매체로 결합됩니다. 초음파 프로브의 진폭은 액체 또는 슬러리로 전달되는 초음파의 강도를 결정합니다. 초음파는 액체 매체에서 고압 및 저압 사이클을 번갈아 생성합니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포를 생성합니다. 고압 사이클 동안 작은 진공 기포가 파괴적으로 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 최대 280m/s의 고속으로 액체 제트를 생성하여 강력한 전단력을 유발할 수도 있습니다. 전단력은 입자를 파괴하고, 입자 간 충돌을 일으키며, 액적과 세포를 기계적으로 파괴하여 동시에 매우 효율적인 물질 전달을 촉진합니다. 이러한 캐비테이션 힘은 균일하고 균일한 분산, 에멀젼 및 현탁액을 생성하며 화학 반응(소위 초음파 화학)을 촉진하는 것으로도 알려져 있습니다.

음향 캐비테이션 (고출력 초음파에 의해 생성됨)은 소위 sonomechanical 및 sonochemical 효과라고 불리는 국부적으로 극한 조건을 생성합니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 고체 및 액체 입자를 줄이고 균질 한 제형으로 혼합합니다.

초음파 균질화기 – 장점

초음파 균질화기는 고체-액체(소위 슬러리) 및 액체-액체 현탁액 및 용액의 생산과 관련하여 우수합니다. 초음파기는 초음파 캐비테이션의 작동 원리를 사용하기 때문에 캐비테이션은 액체에서만 발생하기 때문에 재료는 젖어 있거나 젖은 상태여야합니다. 이것은 초음파가 건조 분말을 혼합하는 데 그다지 효율적이지 않다는 것을 의미하지만, 분말이 젖어 버리 자마자 초음파 처리가 가장 효율적인 혼합 방법입니다. 초음파 균질화기는 페이스트와 점성이 높은 재료조차도 안정적으로 혼합, 혼합 및 분산시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 캐비테이션 버블의 내파로 인한 매우 강한 힘은 매우 강력한 고전단력뿐만 아니라 국부적으로 제한된 고온 및 압력 및 각각의 미분을 생성합니다. 이러한 물리적 힘의 조합은 기존의 균질화기보다 훨씬 작은 크기로 입자를 파괴합니다. 따라서 초음파 균질화기는 나노 크기의 에멀젼 및 분산액의 안정적인 생산에 선호되는 장비입니다.

초음파 균질화기의 응용

초음파 균질화기는 고체-액체 및 액체-액체 현탁액을 균질화하고, 입자 크기를 줄이고, 생물학적 물질을 파괴 및 추출하고, 화학 반응을 강화하고, 용해성 화합물을 용해시키기 위해 실험실 및 산업 시설에서 널리 사용됩니다.

초음파 유화 작용

유화는 안정하거나 반안정한 혼합물을 제조하기 위해 두 개 이상의 혼합되지 않는 액체를 함께 혼합하는 과정입니다. 일반적으로 이 두 액체는 유상과 수성(물) 상으로 구성됩니다. 상이한 액상의 혼합물을 안정화시키기 위해, 유화제(계면활성제/공계활성제)를 첨가한다. 에멀젼의 액적 크기는 에멀젼의 기능과 안정성과 관련하여 중요한 역할을 합니다. 파워 초음파는 물방울을 분해하고 미세한 물방울로 줄이는 초음파 역학적 힘을 생성하기 때문에 초음파 처리는 미크론 및 나노 에멀젼 생산에 매우 널리 사용되는 방법입니다. 초음파 균질화기는 O/W 및 W/O 에멀젼, 역 에멀젼, 이중 에멀젼(O/W/O, W/O/W), 미니 에멀젼 및 Pickering 에멀젼 생산을 위한 신뢰할 수 있는 도구입니다. 이러한 유연성과 신뢰할 수 있는 유화 능력을 바탕으로 초음파 균질화기(유화에 사용되는 경우 초음파 유화제라고도 함)는 예를 들어 화학, 식품, 제약 및 연료 산업에서 장기간 안정적인 에멀젼을 생산하는 데 사용됩니다.
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초음파 분산

초음파 균질화기는 입자 응집체, 응집체 및 1차 입자의 크기를 안정적으로 줄여야 할 때 매우 효과적입니다. 초음파 균질화기의 장점은 미크론 또는 나노 입자가 공정 결과로 대상이되든 입자를 더 작고 균일 한 입자 크기로 밀링 할 수 있다는 것입니다. 캐비테이션 전단력과 액체 흐름은 입자를 가속하여 서로 충돌합니다. 이를 입자 간 충돌이라고 합니다. 입자 자체는 밀링 매체로 작용하여 비드 분쇄 및 후속 분리 공정에 의한 오염을 방지하며, 이는 기존 비드 밀을 사용할 때 필요합니다. 최대 280m/sec의 매우 빠른 속도로 입자 간 충돌에 의한 입자 충돌이 발생하기 때문에 입자에 매우 높은 힘이 가해져 입자는 미세한 조각으로 산산조각이 납니다. 마찰과 침식은 이러한 입자 조각에 광택이 나는 표면과 균일한 형태의 형태를 제공합니다. 전단력과 입자 간 충돌의 조합은 초음파 균질화 및 분산에 유리한 가장자리를 제공하여 매우 균질한 콜로이드 현탁액 및 분산을 제공합니다!
아래 그림 순서는 흑연 플레이크에 대한 초음파의 캐비테이션력을 보여줍니다.

를 사용하여 물에서 흑연 플레이크의 음파 기계적 박리를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지) UP200S, 200W 초음파 발생기 3mm sonotrode로. 화살표는 캐비테이션 버블이 분할을 관통하는 분할(박리) 위치를 보여줍니다.
© Tyurnina 외. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

나노물질의 분산 및 균질화

에멀젼과 분산액 모두의 경우, 나노 크기의 혼합물을 준비하는 것은 어려운 작업입니다. 블레이드 믹서, 비드 밀, 고압 균질화기 및 기타 믹서와 같은 대부분의 기존 균질화 및 혼합 기술은 미크론 크기의 입자를 생성할 수 있지만 액적과 고체를 나노 크기로 안정적으로 분해할 수는 없습니다. 이것은 대부분 강도가 충분하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 블레이드 믹서는 입자를 나노 크기로 파괴하기에 충분한 전단력을 제공하지 않습니다. 균질화기의 또 다른 유형인 비드 밀은 비드(분쇄 매체) 자체보다 더 미세한 입자 크기로 고형물을 균일하게 밀링할 수 없습니다. 기존 그라인딩 비드의 평균 크기는 1,500mm 사이입니다 – 35,000mm입니다. 또 다른 문제는 밀링 매체의 마모로 인한 오염입니다. 초음파기는 매우 높지만 정밀하게 제어 가능한 전단력을 제공하기 때문에 초음파 캐비테이션은 실험실에서 나노 분산 및 나노 에멀젼의 안정적인 생산을 위해 선호되는 기술입니다 (R&D), 파일럿 및 산업 설정.

초음파 균질화 공정의 스케일업

실험실 초음파 균질화기에서 파일럿 초음파로, 파일럿 시스템에서 본격적인 생산 초음파 균질화기로 확장 할 때 스케일 업은 완전히 선형으로 적용 할 수 있습니다! 진폭, 압력, 온도 및 처리 시간과 같은 모든 중요한 공정 매개 변수는 일정하게 유지되며, 초음파 프로브의 표면적과 프로브의 에너지 교반기 인 초음파기 만 더 크고 강력한 단위로 확장됩니다. 초음파 균질화 공정의 선형 확장성을 통해 실험실 및 파일럿 설정에서와 동일한 고품질 결과를 대량 생산에서 얻을 수 있습니다.

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Hielscher 초음파는 초음파 균질화기에 대한 오랜 경험이 풍부한 파트너입니다. 모든 Hielscher 초음파기는 전 세계 고객에게 배송하기 전에 독일 본사에서 설계, 제조 및 테스트되었습니다. Hielscher 초음파 균질화기는 지속적인 고성능, 신뢰성, 견고성 및 사용자 친화성으로 특징 지어지는 고품질 장치입니다. 초음파 균질화 기술의 기술적 정교함은 Hielscher 장비 사용자에게 경쟁 우위를 제공하여 업계에서 시장 리더가되었습니다. 실험실 및 벤치 탑 균질화기, 파일럿 시스템 및 상업 생산을위한 완전 산업용 초음파 균질화기에서 광범위한 제품 범위를 갖춘 Hielscher는 귀하의 요구 사항에 이상적인 초음파 혼합 시스템을 보유하고 있습니다. 매니폴드 액세서리는 이상적인 초음파 균질화기 설정을 가능하게 합니다. – 개인의 요구 사항을 충족합니다.
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초음파 균질화기를 사용한 고효율

탁월한 공정 효율성, 합리적인 투자 비용, 매우 높은 에너지 효율성 및 낮은 인건비 및 유지 보수 비용으로 인해 Hielscher 초음파 균질화기는 기존의 균질화 기술을 능가하고 빠른 ROI (투자 수익률)를 달성합니다. 종종, 초음파 균질화기는 몇 달 이내에 상각됩니다.

산업용 균질화를 위한 고출력 초음파

진폭은 초음파 구동 균질화 공정에서 가장 중요한 공정 파라미터입니다. 모든 Hielscher 초음파를 사용하면 진폭을 정확하게 제어 할 수 있습니다. 공정 대상에 따라 더 약한 처리 조건을 위해 더 낮은 진폭을 설정하거나 더 파괴적인 분산 결과를 위해 높은 진폭을 선택할 수 있습니다. Hielscher 산업용 초음파 발생기는 매우 높은 진폭을 제공 할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.

Ultrasonic Homogenizers에 대한 낮은 유지 보수 요구 사항

초음파 균질화기는 sonotrode와 반응기가 젖은 부품이고 가공 된 재료와 접촉하는 유일한 구성 요소이기 때문에 청소가 쉬울뿐만 아니라. Sonotrode (초음파 혼 또는 프로브라고도 함) 및 반응기는 각각 티타늄과 스테인리스 스틸로 만들어졌으며 오리피스 나 사각지대가없는 깨끗한 기하학을 가지고 있습니다.
마모될 수 있는 유일한 부품은 초음파 프로브로, 작동에 큰 지장을 주지 않고 교체할 수 있습니다. 실험실 초음파기의 sonotrode는 약 10 분 이내에 변경되는 반면, 산업용 초음파 균질화기의 sonotrode의 변경은 약 30-45 분이 소요될 수 있습니다.

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아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.