Homogenizatori – Darba princips, izmantošana un mērogošana

Homogenizatori ir maisītāju veids, kas pieliek mehāniskus spēkus, lai sajauktu, emulģētu, izkliedētu un izšķīdinātu šķidruma-šķidruma un cietā šķidruma sistēmas. Atkarībā no homogenizatora modeļa rotācijas bīdes, sprauslas vai lieljaudas ultraskaņa tiek izmantotas, lai radītu nepieciešamos spēkus, lai sadalītu un sadalītu cietās daļiņas, kā arī šķidruma pilienus. Uzziniet vairāk par homogenizatora ierīcēm un to pielietojumu pētniecībā un ražošanā!

Kas ir homogenizators?

Homogenizators ir sajaukšanas ierīču klase, kas paredzēta, lai sadalītu gan cietas, gan šķidras daļiņas vienotā maisījumā. Homogenizatori ir pieejami kā laboratorijas, stenda un rūpnieciskās iekārtas, ko izmanto dažādiem pielietojumiem pētniecībā un rūpniecībā. Tipisks homogenizatora pielietojums ietver dažādu materiālu, tostarp daļiņu, pigmentu, ķīmisko vielu, augu, pārtikas, šūnu, audu, sajaukšanu un sairšanu.

Pārskats par dažādiem homogenizatoru tipiem

Dažādi homogenizatoru veidi ir komerciāli pieejami izmantošanai stenda un rūpnieciskajā liela mēroga ražošanā. Tomēr rotora / statora (koloidādo) maisītāji, augstspiediena homogenizatori un ultraskaņas homogenizatori ir visplašāk izmantotie modeļi.
Lāpstiņriteņa vai asmeņu maisītāji ir vērpšanas asmens, kas lielā ātrumā griežas maisīšanas trauka apakšā, tādējādi apvienojot dažādus materiālus viendabīgā maisījumā.
Kā nosaukums rotora/statora maisītājs jau nozīmē, ka rotoram/statora maisītājam ir rotors un statora komponents. Rotors ir metāla vārpsta, kas statorā griežas lielā ātrumā. Stators ir metāla daļa, kas paliek stacionāra. Rotora rotācija rada sūkšanas efektu, kas pārvieto cieto šķidrumu starp statoru un rotoru, kur cietās vielas tiek samazinātas līdz mazākam daļiņu izmēram.
Darba princips augstspiediena homogenizators (HPH) ir balstīts uz augstspiediena sūkņa un vārsta (sprauslas, atveres) izmantošanu, kas padara iekārtu lielu, smagu un dārgu. Apstrādātā virca tiek piespiesta ar lielu plūsmas ātrumu caur nelielu atveri, kas samazina daļiņu izmēru, jo daļiņām ir nepieciešams noteikts mazs izmērs, lai izietu caur vārstu. It īpaši, apstrādājot cietās vielas, HPH ir pakļauti aizsērēšanai.
Ultraskaņas Homogenizatori izmantot akustiskās kavitācijas radītos augstas bīdes spēkus, kas tiem dod dažādas priekšrocības salīdzinājumā ar citām homogenizācijas metodēm. Turpmāk ir norādīts ultraskaņas homogenizācijas darba princips un priekšrocības.

Lieljaudas ultraskaņa kā homogenizējošs spēks

Ultraskaņas homogenizators izmanto augstas intensitātes ultraskaņas vibrācijas un kavitāciju, lai radītu ļoti intensīvus bīdes spēkus, un tāpēc to var saukt par superintensīvu augstas bīdes maisītāju. Superintensīvo augstas bīdes spēku noslēpums ir akustiskā kavitācija, ko rada lieljaudas ultraskaņas viļņi. Ultraskaņas homogenizatoram ir ģenerators, kas ir barošanas bloks un vadības bloks, un devējs. Devējs satur pjezoelektrisko keramiku. Šie pjezoelektriskā keramika pārvērš elektrisko enerģiju svārstībās, jo pjezoelektriskie kristāli maina to lielumu un formu, kad tiek izmantots spriegums. Ja elektroniskā oscilatora frekvence ir vienāda ar pjezoelektriskā kvarca dabisko frekvenci, rodas rezonanse. Rezonanses apstākļos kvarcs rada garenvirziena ultraskaņas viļņus ar lielu amplitūdu.
Ģenerētie ultraskaņas viļņi pēc tam tiek savienoti caur ultraskaņas zondi (sonotrode / ragu) procesa vidē. Amplitūda ultraskaņas zondē nosaka ultraskaņas viļņu intensitāti, kas tiek pārnesta šķidrumā vai vircā. Ultraskaņas viļņi rada mainīgus augstspiediena un zema spiediena ciklus šķidrajos plašsaziņas līdzekļos. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus. Augstspiediena cikla laikā mazie vakuuma burbuļi sabrūk destruktīvi. Šo parādību sauc par kavitāciju. KAVITĀCIJAS burbuļu sabrukums var radīt arī šķidras strūklas ar lielu ātrumu līdz 280 m/s, kā rezultātā rodas spēcīgi bīdes spēki. Bīdes spēki salauž daļiņas, izraisa sadursmi starp daļiņām un mehāniski izjauc pilienus un šūnas, vienlaikus veicinot ļoti efektīvu masas pārnesi. Šie KAVITĀCIJAS spēki rada vienmērīgas un viendabīgas dispersijas, emulsijas un suspensijas, kā arī ir zināms, ka tie veicina ķīmiskas reakcijas (tā saukto sonoķīmiju).

Akustiskā kavitācija (ko rada lieljaudas ultraskaņa) rada lokāli ekstremālus apstākļus, tā saukto sonomehānisko un sonoķīmisko iedarbību. Šo efektu dēļ ultraskaņas apstrāde samazina cietās un šķidrās daļiņas un sajauc tās viendabīgā preparātā.

Ultraskaņas Homogenizatori – Priekšrocības

Ultraskaņas homogenizatori ir pārāki, kad runa ir par cietā šķidruma (tā saukto vircas) un šķidruma-šķidruma suspensiju un šķīdumu ražošanu. Tā kā ultrasonikatori izmanto ultraskaņas kavitācijas darba principu, materiālam jābūt mitram vai mitrā fāzē, jo kavitācija notiek tikai šķidrumā. Tas nozīmē, ka ultrasonikators nebūtu ļoti efektīvs sausa pulvera sajaukšanai, bet, tiklīdz pulveris kļūst samitrināts, ultraskaņas apstrāde ir visefektīvākā sajaukšanas metode. Ultraskaņas homogenizatori ir labi zināmi, lai droši sajauktu, sajauktu un izkliedētu pat pastas un ļoti viskozus materiālus. Ārkārtīgi intensīvie spēki, ko izraisa KAVITĀCIJAS burbuļu sabrukums, rada ne tikai ļoti spēcīgus augstas bīdes spēkus, bet arī lokāli ierobežotus augstus temperatūras un spiedienus, kā arī attiecīgos diferenciāļus. Šī fizikālo spēku kombinācija izjauc daļiņas daudz mazākos izmēros nekā parastais homogenizators. Tāpēc ultraskaņas homogenizatori ir vēlamā iekārta nano izmēra emulsiju un dispersiju uzticamai ražošanai.

Ultraskaņas homogenizatoru pielietojumi

Ultraskaņas homogenizatori tiek plaši izmantoti laboratorijas un rūpniecības iekārtās, lai homogenizētu cietā šķidruma un šķidruma-šķidruma suspensijas, samazinātu daļiņu izmēru, izjauktu un iegūtu bioloģisko materiālu, pastiprinātu ķīmiskās reakcijas un izšķīdinātu šķīstošos savienojumus.

Ultraskaņas Emulsifikācija

Emulgācija ir divu vai vairāku nesajaucamu šķidrumu sajaukšanas process kopā, lai sagatavotu stabilu vai pusstabilu maisījumu. Kopumā šie divi šķidrumi sastāv no eļļas fāzes un ūdens (ūdens) fāzes. Lai stabilizētu dažādu šķidro fāžu maisījumu, pievieno emulgatoru (virsmaktīvo vielu / virsmaktīvo vielu). Emulsijas pilienu izmēram ir izšķiroša nozīme, kad runa ir par emulsijas funkcionalitāti un stabilitāti. Tā kā jaudas ultraskaņa rada sonomehāniskus spēkus, kas sadala pilienus un samazina tos līdz minūšu pilieniem, ultraskaņas apstrāde ir ļoti populāra metode mikronu un nanoemulsiju ražošanai. Ultraskaņas homogenizatori ir uzticams instruments O / W un W / O emulsiju, apgriezto emulsiju, dubultās emulsijas (O / W / O, W / O / W), mini emulsiju, kā arī Pickering emulsiju ražošanai. Pamatojoties uz šo elastību un uzticamo emulgācijas spēju, ultraskaņas homogenizatori (dažreiz tos sauc arī par ultraskaņas emulgatoriem, ja tos izmanto emulgācijai) tiek izmantoti, piemēram, ķīmijas, pārtikas, farmācijas un degvielas rūpniecībā, lai ražotu ilgtermiņa stabilas emulsijas.
Noklikšķiniet uz šīm saitēm, lai uzzinātu vairāk par Nano emulsijas, un Pickering emulsijas!

Ultraskaņas dispersijas

Ultraskaņas homogenizatori ir ļoti efektīvi, ja daļiņu aglomerāti, agregāti un pat primārās daļiņas ir droši jāsamazina. Ultraskaņas homogenizatoru priekšrocība ir to spēja sasmalcināt daļiņas līdz mazākiem un vienotākiem daļiņu izmēriem, neatkarīgi no tā, vai mikronu vai nanodaļiņas ir vērstas kā procesa rezultāts. KAVITĀCIJAS bīdes spēki un šķidruma plūsmas paātrina daļiņas tā, lai tās saduras savā starpā. To sauc par starpdaļiņu sadursmi. Pašas daļiņas darbojas kā malšanas vide, kas novērš piesārņojumu, samaļot lodītes un tam sekojošo atdalīšanas procesu, kas ir nepieciešams, ja tiek izmantotas parastās lodīšu dzirnavas. Tā kā daļiņu sadursme, ko izraisa starpdaļiņu sadursme ar ļoti lielu ātrumu līdz 280 m/ sek, daļiņām piemēro ārkārtīgi lielus spēkus, kas tādējādi sadalās minūšu frakcijās. Berze un erozija piešķir šiem daļiņu fragmentiem pulētu virsmu un vienmērīgi veidotu formu. Bīdes spēku un starpdaļiņu sadursmes kombinācija dod ultraskaņas homogenizāciju un dispersiju izdevīgajai malai, kas nodrošina ļoti viendabīgas koloidālās suspensijas un dispersijas!
Zemāk redzamajā attēlu secībā ir attēloti ultraskaņas KAVITĀCIJAS spēki grafīta pārslās.

Liela ātruma sekvence (no a līdz f) rāmjiem, kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisku lobīšanos ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultrasonikators ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst šķelšanās.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Nanomateriālu dispersija un homogenizācija

Gan emulsijām, gan dispersijām nano izmēra maisījumu sagatavošana ir sarežģīts uzdevums. Lielākā daļa parasto homogenizācijas un sajaukšanas metožu, piemēram, asmens maisītāji, lodīšu dzirnavas, augstspiediena homogenizatori un citi maisītāji, spēj ražot mikronu izmēra daļiņas, bet tās nevar droši sadalīt pilienus un cietās vielas līdz nano izmēram. Tas galvenokārt ir saistīts ar nepietiekamu intensitāti. Piemēram, asmeņu maisītāji nenodrošina pietiekami daudz bīdes daļiņu sadalīšanai līdz nano izmēram. Lodīšu dzirnavas, cita veida homogenizators, nevar vienmērīgi sasmalcināt cietas vielas līdz smalkākam daļiņu izmēram nekā pašas krelles (slīpēšanas vide). Parastās slīpēšanas lodītes vidējais izmērs ir no 1500 mm – 35 000 mm. Vēl viena problēma ir frēzēšanas vides piesārņojums ar nodilumu. Tā kā ultrasonikatori nodrošina ārkārtīgi augstus, bet precīzi kontrolējamus bīdes spēkus, ultraskaņas kavitācija ir vēlamā tehnika drošai nanoizspersijas un nanoemulsiju ražošanai laboratorijā (R&D), izmēģinājuma un rūpniecības uzstādījumi.

Ultraskaņas homogenizācijas procesu paplašināšana

Palielinoties no laboratorijas ultraskaņas homogenizatora līdz izmēģinājuma ultrasonikatoram un no izmēģinājuma sistēmas līdz pilna mēroga ražošanas ultraskaņas homogenizatoram, mērogošanu var piemērot pilnīgi lineāri! Visi svarīgie procesa parametri, piemēram, amplitūda, spiediens, temperatūra un apstrādes laiks, tiek turēti nemainīgi, tikai ultraskaņas zondes virsmas laukums un ultrasonikators kā zondes enerģiskais maisītājs tiek mērogots līdz lielākām, spēcīgākām vienībām. Ultraskaņas homogenizācijas procesu lineārā mērogojamība ļauj iegūt lielā ražošanā tādus pašus augstas kvalitātes rezultātus kā laboratorijas un izmēģinājuma iestatījumos.

Atrodiet vispiemērotāko ultraskaņas homogenizatoru savam procesam!

Hielscher Ultrasonics ir jūs ilggadējs pieredzējis partneris ultraskaņas homogenizatoriem. Visi Hielscher ultrasonikatori ir izstrādāti, ražoti un pārbaudīti mūsu galvenajā mītnē Vācijā, pirms mēs tos nosūtām saviem klientiem visā pasaulē. Hielscher ultraskaņas homogenizatori ir augstas kvalitātes ierīces, ko apbur pastāvīga augsta veiktspēja, uzticamība, izturība un lietotājdraudzīgums. Ultraskaņas homogenizācijas tehnoloģijas tehniskā sarežģītība dod Hielscher iekārtu lietotājiem konkurences priekšrocības, kas padara tos par tirgus līderi savā nozarē. Ar plašu produktu klāstu, sākot no laboratorijas un stenda homogenizatoriem, pilotu sistēmām un pilnībā rūpnieciskiem ultraskaņas homogenizatoriem komerciāliem ražojumiem, Hielscher ir ideāla ultraskaņas sajaukšanas sistēma jūsu prasībām. Kolektora piederumi ļauj veikt ideālu ultraskaņas homogenizatora iestatīšanu – atbilstību individuālajām vajadzībām.
Pastāstiet mums savas procesa prasības un specifikācijas – mēs labprāt iesakām jums vispiemērotāko un efektīvāko ultraskaņas homogenizatoru jūsu pieteikumam!

Augsta efektivitāte ar ultraskaņas homogenizatoriem

Sakarā ar ārkārtas procesa efektivitāti, saprātīgām ieguldījumu izmaksām, ļoti augstu energoefektivitāti un zemām darbaspēka un uzturēšanas izmaksām, Hielscher ultraskaņas homogenizatori pārspēj parastās homogenizācijas metodes un sasniedz ātru RoI (Ieguldījumu atdeve). Bieži vien ultraskaņas homogenizators tiek amortizēts dažu mēnešu laikā.

Lieljaudas ultraskaņa rūpnieciskai homogenizācijai

Amplitūda ir vissvarīgākais procesa parametrs ultraskaņas vadītos homogenizācijas procesos. Visi Hielscher ultrasonikatori ļauj precīzi kontrolēt amplitūdu. Atkarībā no procesa mērķa var iestatīt zemāku amplitūdu maigākiem apstrādes apstākļiem vai augsta amplitūda tiek izvēlēta destruktīvākiem dispersijas rezultātiem. Hielscher Ultrasonics’ rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodi.

Zemas apkopes prasības ultraskaņas homogenizatoriem

Ultraskaņas homogenizatori ir ne tikai viegli tīrāmi, jo sonotrode un reaktors ir vienīgās sastāvdaļas, kas ir mitras daļas un nonāk saskarē ar apstrādāto materiālu. Sonotrode (pazīstams arī kā ultraskaņas rags vai zonde) un reaktors ir izgatavoti attiecīgi no titāna un nerūsējošā tērauda, un tiem ir tīras ģeometrijas bez atverēm vai mirušiem stūriem.
Vienīgā daļa, kas ir pakļauta nodilumam, ir ultraskaņas zonde, kuru var nomainīt bez būtiskiem darbības traucējumiem. Laboratorijas ultrasonikatora sonotrode tiek mainīta aptuveni 10 minūšu laikā, bet rūpnieciskā ultraskaņas homogenizatora sonotrode maiņa var ilgt aptuveni 30-45 min.

Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu: