호모게나이저는 액체 - 액체 및 고체 - 액체 시스템을 혼합, 유화, 분산 및 용해하기 위해 기계적 힘을 가하는 믹서의 한 유형입니다. 균질화 모델 회전 전단에 따라 노즐 또는 고출력 초음파를 사용하여 액체 방울뿐만 아니라 고체 입자를 분해하고 분해하는 데 필요한 힘을 생성합니다. 균질 기 장치 및 연구 및 생산에서의 응용 분야에 대해 자세히 알아보십시오!

균질 화 란 무엇입니까?

균질화기는 고체 및 액체 입자를 균일한 혼합물로 분해하도록 설계된 혼합 장치의 한 종류입니다. 균질화기는 연구 및 산업의 다양한 응용 분야에 사용되는 실험실, 벤치탑 및 산업 장비로 사용할 수 있습니다. 균질화기의 일반적인 응용 분야에는 입자, 안료, 화학 물질, 식물, 식품, 세포, 조직 등 다양한 물질의 혼합 및 분해가 포함됩니다.

다양한 균질화 유형에 대한 개요

다양한 균질기 유형이 벤치탑 및 산업 대규모 생산에 사용하기 위해 상업적으로 이용가능하다. 그러나 로터 / 고정자 (콜로이드) 믹서, 고압 균질 기 및 초음파 균질 기가 가장 널리 사용되는 모델입니다.
임펠러 또는 블레이드 믹서 혼합 용기의 바닥에서 고속으로 회전하는 회전 블레이드를 가지고있어 다양한 재료를 균질 한 혼합물로 결합시킵니다.
의 이름으로 로터/고정자 믹서 이미 로터/고정자 믹서에는 로터와 고정자 부품이 있다는 것을 의미합니다. 로터는 고정자 내에서 고속으로 회전하는 금속 샤프트입니다. 고정자는 고정되어 있는 금속 부품입니다. 로터의 회전은 고정자와 로터 사이에서 고액 물질을 이동시키는 흡입 효과를 생성하며, 여기서 고체는 더 작은 입자 크기로 감소됩니다.
의 작동 원리 고압 균질기 (HPH) 고압 펌프와 밸브 (노즐, 오리피스)의 사용을 기반으로하므로 장비가 크고 무겁고 비쌉니다. 가공 된 슬러리는 작은 오리피스를 통해 높은 유속으로 강제되며, 이는 입자가 밸브를 통과하기 위해 특정 작은 크기를 필요로하기 때문에 입자 크기를 줄입니다. 특히 고체를 처리 할 때 HPH는 막히기 쉽습니다.
초음파 균질 기 음향 캐비테이션에 의해 생성 된 높은 전단력을 사용하여 다른 균질화 기술에 비해 다양한 이점을 제공합니다. 초음파 균질화의 작동 원리와 이점은 아래에 제시되어 있습니다.

균질화력으로서의 고출력 초음파

초음파 균질 기는 고강도 초음파 진동과 캐비테이션을 사용하여 매우 강렬한 전단력을 생성하므로 초강력 고전단 믹서라고 할 수 있습니다. 초강력 고전단력의 비밀은 고출력 초음파에 의해 생성되는 음향 캐비테이션입니다. 초음파 균질 기에는 전원 공급 장치 및 제어 장치 인 발전기와 변환기가 있습니다. 변환기에는 압전 세라믹이 포함되어 있습니다. 이 압전 전기 세라믹은 전압이 인가될 때 압전 결정이 크기와 모양을 변화시키기 때문에 전기 에너지를 진동으로 변환합니다. 전자 발진기의 주파수가 압전 석영의 자연 주파수와 같을 때, 공진이 발생한다. 공진 조건 하에서, 석영은 큰 진폭의 종방향 초음파를 생성한다.
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. 저압주기 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포를 생성합니다. 고압 사이클 동안, 작은 진공 기포는 파괴적으로 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m/s의 고속 액체 제트기를 생성하여 강력한 전단력을 발생시킬 수 있습니다. 전단력은 입자를 부수고 입자 간 충돌을 일으키며 물방울과 세포를 기계적으로 파괴하여 동시에 매우 효율적인 질량 전달을 촉진합니다. 이러한 캐비테이션력은 균일하고 균질 한 분산액, 에멀젼 및 현탁액을 생성하며 화학 반응 (소위 sonochemistry)을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다.

음향 캐비테이션 (고출력 초음파에 의해 생성됨)은 국부적으로 극한 조건, 소위 sonomechanical 및 sonochemical 효과를 만듭니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 고체 및 액체 입자를 감소시키고 균질 한 제형으로 혼합합니다.

초음파 균질 기 – 장점

초음파 균질 기는 고체 액체 (소위 슬러리) 및 액체 - 액체 현탁액 및 용액의 생산과 관련하여 우수합니다. 초음파 발생기는 초음파 캐비테이션의 작동 원리를 사용하기 때문에 캐비테이션은 액체에서만 발생하기 때문에 재료는 젖거나 젖은 상이어야합니다. 이것은 초음파 발생기가 건조한 분말을 혼합하는 데 매우 효율적이지는 않지만 분말이 젖 자마자 초음파 처리가 가장 효율적인 혼합 방법입니다. 초음파 균질 기는 페이스트와 점성이 높은 재료도 안정적으로 혼합, 혼합 및 분산시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 캐비테이션 버블의 내파로 인한 매우 강렬한 힘은 매우 강력한 고전단력뿐만 아니라 국부적으로 제한된 고온 및 압력뿐만 아니라 각각의 차동을 생성합니다. 이러한 물리적 힘의 조합은 기존의 균질화기보다 훨씬 작은 크기로 입자를 파괴합니다. 따라서 초음파 균질 기는 나노 크기의 에멀젼 및 분산액의 안정적인 생산을위한 선호되는 장비입니다.

초음파 균질 화기의 응용 프로그램

초음파 균질 기는 고액 및 액체 - 액체 현탁액을 균질화하고, 입자 크기를 줄이며, 생물학적 물질을 파괴 및 추출하고, 화학 반응을 강화하고, 가용성 화합물을 용해시키기 위해 실험실 및 산업 시설에서 널리 사용됩니다.

초음파 유화

유화는 안정하거나 반안정한 혼합물을 제조하기 위해 둘 이상의 비혼화성 액체를 함께 블렌딩하는 과정이다. 일반적으로이 두 액체는 오일 상과 수성 (물) 상으로 구성됩니다. 상이한 액상의 혼합물을 안정화시키기 위해, 유화제(계면활성제/공-계면활성제)가 첨가된다. 에멀젼의 액적 크기는 에멀젼의 기능과 안정성에 있어 중요한 역할을 합니다. 전력 초음파는 물방울을 분해하고 미세한 물방울로 줄이는 초음파 역학적 힘을 생성하기 때문에 초음파 처리는 미크론 및 나노 에멀젼 생산을위한 매우 인기있는 방법입니다. 초음파 균질 기는 O / W 및 W / O 에멀젼, 역 에멀젼, 이중 에멀젼 (O / W / O, W / O / W), 미니 에멀젼 및 피커링 에멀젼의 생산을위한 신뢰할 수있는 도구입니다. 이러한 유연성과 신뢰할 수있는 유화 능력을 바탕으로 초음파 균질 기 (유화에 사용될 때 초음파 유화제라고도 함)가 예를 들어 화학, 식품, 제약 및 연료 산업에서 장기간 안정적인 에멀젼을 생산하기 위해 사용됩니다.
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초음파 분산

초음파 균질 기는 입자 응집체, 응집체 및 심지어 일차 입자의 크기를 안정적으로 줄여야하는 경우 매우 효과적입니다. 초음파 균질 기의 장점은 미크론 또는 나노 입자가 공정 결과로 타겟팅되는지 여부에 관계없이 입자를 더 작고 균일 한 입자 크기로 밀링 할 수 있다는 것입니다. 캐비테이션 전단력과 액체 스트림은 입자가 서로 충돌하도록 입자를 가속시킵니다. 이를 입자 간 충돌이라고 합니다. 입자 자체는 분쇄 매체 역할을하며, 이는 기존의 비드 밀을 사용할 때 필요한 비드 분쇄 및 후속 분리 공정에 의한 오염을 방지합니다. 입자가 최대 280m/sec의 매우 빠른 속도에서 입자 간 충돌에 의해 충돌하기 때문에, 매우 높은 힘이 입자에 가해지고, 따라서 미세한 분수로 부서집니다. 마찰과 침식은 입자 조각에 연마 된 표면과 균일 한 모양의 형태를 제공합니다. 전단력과 입자 간 충돌의 조합은 초음파 균질화 및 분산을 제공하여 매우 균질 한 콜로이드 현탁액 및 분산액을 제공하는 유리한 가장자리를 제공합니다!
아래의 그림 시퀀스는 흑연 플레이크에서 초음파의 캐비테이션 힘을 묘사합니다.

물에 흑연 플레이크의 소노 기계적 각질 제거를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지)는 UP200S, 200W 초음파 처리기 3mm 소노로드. 화살표는 분할을 관통 캐비테이션 거품으로 분할 (각질 제거)의 장소를 보여줍니다.
© 티우르니나 외 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

나노 물질의 분산 및 균질화

에멀젼과 분산액 모두에 대해 나노 크기의 혼합물을 준비하는 것은 어려운 작업입니다. 블레이드 믹서, 비드 밀, 고압 균질 기 및 기타 믹서와 같은 대부분의 기존 균질화 및 혼합 기술은 미크론 크기의 입자를 생성 할 수 있지만 나노 크기로 물방울과 고체를 안정적으로 분해 할 수는 없습니다. 이것은 주로 불충분 한 강도 때문입니다. 예를 들어, 블레이드 믹서는 입자를 나노 크기로 파괴하기에 충분한 전단을 제공하지 않습니다. 또 다른 유형의 균질기인 비드 밀은 고체를 비드(분쇄 매체) 자체보다 더 미세한 입자 크기로 균일하게 밀링할 수 없습니다. 기존의 분쇄 비드는 평균 크기가 1,500 mm 사이입니다. – 35,000 mm. 또 다른 문제는 밀링 매체의 마모에 의한 오염이다. 초음파 발생기는 매우 높지만 정밀하게 제어 가능한 전단력을 제공하기 때문에 초음파 캐비테이션은 실험실에서 나노 분산 및 나노 에멀젼의 신뢰할 수있는 생산을위한 선호되는 기술입니다 (R&D), 파일럿 및 산업 설정.

초음파 균질화 공정의 스케일 업

실험실 초음파 균질 기에서 파일럿 초음파 발생기로 확장하고 파일럿 시스템에서 본격적인 생산 초음파 균질 기로 확장 할 때 스케일 업을 완전히 선형으로 적용 할 수 있습니다! 진폭, 압력, 온도 및 처리 시간과 같은 모든 중요한 공정 매개 변수는 일정하게 유지되며 프로브의 에너지 교반기 인 초음파 프로브 및 초음파기의 표면적 만 더 크고 강력한 장치로 확장됩니다. 초음파 균질화 공정의 선형 확장 성을 통해 대규모 생산에서 실험실 및 파일럿 설정과 동일한 고품질 결과를 얻을 수 있습니다.

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초음파 균질 기를 사용한 고효율

탁월한 공정 효율성, 합리적인 투자 비용, 매우 높은 에너지 효율 및 낮은 노동 및 유지 보수 비용으로 인해 Hielscher 초음파 균질 기는 기존의 균질화 기술보다 경쟁하고 빠른 RoI (투자 수익률)를 달성합니다. 종종 초음파 균질 기가 몇 달 안에 상각됩니다.

산업 균질화를 위한 고출력 초음파

진폭은 초음파 구동 균질화 공정에서 가장 중요한 공정 파라미터입니다. 모든 Hielscher 초음파 발생기는 진폭을 정밀하게 제어 할 수 있습니다. 공정 목표에 따라, 더 가벼운 가공 조건을 위해 더 낮은 진폭을 설정하거나 더 파괴적인 분산 결과를 위해 높은 진폭을 선택할 수 있습니다. 히엘셔 초음파’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공 할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동에서 쉽게 연속하게 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다.

초음파 균질 화기에 대한 낮은 유지 보수 요구 사항

초음파 균질 기는 sonotrode 및 반응기가 젖은 부품이며 가공 된 재료와 접촉하는 유일한 구성 요소이기 때문에 청소하기가 쉽지 않습니다. Sonotrode (초음파 혼 또는 프로브라고도 함)와 반응기는 각각 티타늄과 스테인레스 스틸로 만들어졌으며 오리피스 나 죽은 모서리가없는 깨끗한 형상을 가지고 있습니다.
마모와 찢어짐의 영향을받는 유일한 부분은 초음파 프로브로, 작동에 큰 지장없이 교체 할 수 있습니다. 실험실 초음파기의 sonotrode는 약 10 분 이내에 변경되며, 산업용 초음파 균질 기의 sonotrode 변경은 약 30-45 분이 걸릴 수 있습니다.

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.