Homogenizatori – darbības princips, lietošana un mērogošana
Homogenizatori ir maisītāju veids, kas izmanto mehāniskus spēkus, lai sajauktu, emulģētu, disperģētu un šķīdinātu šķidruma–šķidruma un cietvielas–šķidruma sistēmas. Atkarībā no homogenizatora modeļa izmanto rotācijas radītu bīdi, sprauslas vai lieljaudas ultraskaņu, lai radītu spēkus, kas nepieciešami cieto daļiņu un šķidruma pilienu sadalīšanai un sasmalcināšanai. Uzziniet vairāk par homogenizatoriem un to lietojumu pētniecībā un ražošanā!
Kas ir homogenizators?
Homogenizatori ir maisīšanas ierīču klase, kas paredzēta gan cietu, gan šķidru daļiņu sasmalcināšanai, iegūstot viendabīgu maisījumu. Homogenizatori ir pieejami kā laboratorijas, galda un rūpnieciskās iekārtas, ko izmanto dažādiem lietojumiem pētniecībā un rūpniecībā. Tipiski homogenizatoru lietojumi ietver dažādu materiālu, tostarp daļiņu, pigmentu, ķīmisko vielu, augu, pārtikas, šūnu, audu un citu materiālu, sajaukšanu un sadalīšanu.
Lūdzu, sazinieties ar mums, lai uzzinātu vairāk par homogenizatoriem, apstrādi ar ultraskaņu un to, kā savā procesā varat izmantot mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces!
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks plūsmas homogenizators ar 16 000 vatu jaudas ultraskaņas apstrādes ierīcēm prasīgiem lietojumiem, piemēram, nanodispersiju un nanoemulsiju iegūšanai.
Dažādu homogenizatoru veidu pārskats
Tirdzniecībā ir pieejami dažādi homogenizatoru veidi izmantošanai galda iekārtās un rūpnieciskā lielapjoma ražošanā. Tomēr visplašāk izmantotie modeļi ir rotora/statora (koloidālie) maisītāji, augstspiediena homogenizatori un ultraskaņas homogenizatori.
Lāpstiņriteņa vai lāpstiņu maisītājiem ir rotējoša lāpstiņa, kas lielā ātrumā griežas maisīšanas trauka apakšā, tādējādi apvienojot dažādus materiālus viendabīgā maisījumā.
Kā jau norāda rotora/statora maisītāja nosaukums, šādam maisītājam ir rotors un stators. Rotors ir metāla vārpsta, kas lielā ātrumā griežas statora iekšpusē. Stators ir metāla daļa, kas paliek nekustīga. Rotora griešanās rada iesūkšanas efektu, kas pārvieto cietvielas–šķidruma materiālu starp statoru un rotoru, kur cietvielas tiek sasmalcinātas līdz mazākam daļiņu izmēram.
Augstspiediena homogenizatora (HPH) darbības princips ir balstīts uz augstspiediena sūkņa un vārsta (sprauslas, atveres) izmantošanu, kas padara iekārtu lielu, smagu un dārgu. Apstrādājamā suspensija tiek spiesta ar lielu plūsmas ātrumu caur mazu atveri, kas samazina daļiņu izmēru, jo daļiņām jābūt pietiekami mazām, lai tās izkļūtu caur vārstu. HPH ir pakļauti aizsērēšanai, īpaši apstrādājot cietvielas.
Ultraskaņas homogenizatori izmanto akustiskās kavitācijas radītos spēcīgos bīdes spēkus, kas tiem sniedz dažādas priekšrocības salīdzinājumā ar citām homogenizācijas metodēm. Ultraskaņas homogenizācijas darbības princips un priekšrocības ir aprakstītas turpmāk.
Lieljaudas ultraskaņa kā homogenizējošs spēks
Ultraskaņas homogenizators izmanto augstas intensitātes ultraskaņas svārstības un kavitāciju, lai radītu ļoti intensīvus bīdes spēkus, tāpēc to var saukt par īpaši intensīvu maisītāju ar lieliem bīdes spēkiem. Šo īpaši intensīvo bīdes spēku pamatā ir akustiskā kavitācija, ko rada lielas jaudas ultraskaņas viļņi. Ultraskaņas homogenizatoram ir ģenerators, kas ir barošanas un vadības bloks, un pārveidotājs. Pārveidotājs satur pjezoelektrisko keramiku. Šī pjezoelektriskā keramika pārvērš elektrisko enerģiju svārstībās, jo, pieliekot spriegumu, pjezoelektriskie kristāli maina izmēru un formu. Kad elektroniskā oscilatora frekvence ir vienāda ar pjezoelektriskā kvarca pašfrekvenci, rodas rezonanse. Rezonanses apstākļos kvarcs rada gareniskus ultraskaņas viļņus ar lielu amplitūdu.
Radītie ultraskaņas viļņi pēc tam caur ultraskaņas zondi (sonotrodi / ruporu) tiek ievadīti apstrādājamajā vidē. Ultraskaņas zondes amplitūda nosaka šķidrumā vai suspensijā ievadīto ultraskaņas viļņu intensitāti. Ultraskaņas viļņi šķidrā vidē rada mainīgus augsta un zema spiediena ciklus. Zema spiediena ciklā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus. Augsta spiediena ciklā mazie vakuuma burbuļi destruktīvi saplok. Šo parādību sauc par kavitāciju. Kavitācijas burbuļu implozija var radīt arī šķidruma strūklas ar lielu ātrumu līdz pat 280 m/s, izraisot spēcīgus bīdes spēkus. Bīdes spēki sašķeļ daļiņas, izraisa daļiņu savstarpējas sadursmes un mehāniski sagrauj pilienus un šūnas, vienlaikus veicinot ļoti efektīvu masas pārnesi. Šie kavitācijas spēki rada vienmērīgas un homogēnas dispersijas, emulsijas un suspensijas, un ir arī zināms, ka tie veicina ķīmiskās reakcijas (tā dēvēto sonoķīmiju).
Akustiskā kavitācija (ko rada lielas jaudas ultraskaņa) lokāli rada ekstrēmus apstākļus – tā dēvētos sonomehāniskos un sonoķīmiskos efektus. Šo efektu ietekmē apstrāde ar ultraskaņu samazina cieto un šķidro daļiņu izmēru un sajauc tās homogēnā sastāvā.
Ultraskaņas kavitācija pie ultraskaņas ierīces UIP1000hdT (1000 vati, 20kHz) kaskatrodes zondes stikla reaktorā. Lai uzlabotu kavitācijas redzamību, no apakšas izmanto sarkanu apgaismojumu.
Ultraskaņas ierīču izmantošanas priekšrocības homogenizācijā
Ultraskaņas homogenizatori ir pārāki cietas vielas un šķidruma suspensiju, kā arī šķidruma un šķidruma suspensiju un šķīdumu ražošanā. Tā kā ultraskaņas ierīču darbības princips ir ultraskaņas kavitācija, materiālam jābūt mitram vai jāatrodas šķidrā fāzē, jo kavitācija notiek tikai šķidrumā. Tas nozīmē, ka ultraskaņas ierīce nebūtu īpaši efektīva sausa pulvera sajaukšanā, taču, tiklīdz pulveris tiek samitrināts, apstrāde ar ultraskaņu ir visefektīvākā sajaukšanas metode. Ultraskaņas homogenizatori ir labi pazīstami ar spēju uzticami maisīt, sajaukt un disperģēt pat pastas un ļoti viskozus materiālus. Ārkārtīgi intensīvie spēki, ko izraisa kavitācijas burbuļu implozija, rada ne tikai ļoti spēcīgus bīdes spēkus, bet arī lokāli augstu temperatūru un spiedienu, kā arī attiecīgās temperatūras un spiediena starpības. Šī fizikālo spēku kombinācija sasmalcina daļiņas līdz daudz mazākam izmēram nekā parasts homogenizators. Tāpēc ultraskaņas homogenizatori ir vēlamā izvēle uzticamai nanoizmēra emulsiju un dispersiju ražošanai.
- izcila efektivitāte
- spēja pievadīt ļoti koncentrētu enerģiju
- izcili rezultāti mikroizmēru un nanoizmēru diapazonā
- mikroizmēra un nanoizmēra emulsijām un dispersijām
- jebkurš tilpums no mL līdz tonnām stundā
- apstrāde partijās un plūsmā
- vienreizējai caurplūdei un recirkulācijai
- precīza procesa kontrole
- vienkārša lietošana
- viegla tīrīšana
- nelielas apkopes prasības
Ultraskaņas homogenizatoru lietojumi
Ultraskaņas homogenizatorus plaši izmanto laboratorijās un rūpnieciskajās ražotnēs, lai homogenizētu cietas vielas un šķidruma, kā arī divu šķidrumu suspensijas, samazinātu daļiņu izmēru, sagrautu un ekstrahētu bioloģisko materiālu, intensificētu ķīmiskās reakcijas un šķīdinātu šķīstošus savienojumus.
Emulģēšana ar ultraskaņu
Emulģēšana ir divu vai vairāku savstarpēji nesajaucamu šķidrumu sajaukšanas process, lai iegūtu stabilu vai daļēji stabilu maisījumu. Parasti šie divi šķidrumi veido eļļas fāzi un ūdens fāzi. Lai stabilizētu dažādo šķidro fāžu maisījumu, pievieno emulgatoru (virsmaktīvo vielu / līdzvirsmaktīvo vielu). Emulsijas pilienu izmēram ir izšķiroša nozīme emulsijas funkcionalitātē un stabilitātē. Tā kā lieljaudas ultraskaņa rada sonomehāniskus spēkus, kas sašķeļ pilienus un samazina tos līdz sīkiem pilieniņiem, apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti populāra emulsiju ar mikrometru un nanometru izmēra pilieniem ražošanas metode. Ultraskaņas homogenizatori ir uzticams instruments O/W un W/O emulsiju, inverso emulsiju, dubulto emulsiju (O/W/O, W/O/W), miniemulsiju, kā arī Pikeringa emulsiju ražošanai. Pateicoties šai daudzpusībai un uzticamajai emulģēšanas spējai, ultraskaņas homogenizatorus (kurus, izmantojot emulģēšanai, dažkārt sauc arī par ultraskaņas emulgatoriem) izmanto, piemēram, ķīmiskajā, pārtikas, farmācijas un degvielas rūpniecībā, lai ražotu ilgstoši stabilas emulsijas.
Noklikšķiniet uz tālāk norādītajām saitēm, lai uzzinātu vairāk par nanoemulsijām un Pikeringa emulsijām!
Disperģēšana ar ultraskaņu
Ultraskaņas homogenizatori ir ļoti efektīvi, ja nepieciešams uzticami samazināt daļiņu aglomerātu, agregātu un pat primāro daļiņu izmēru. Ultraskaņas homogenizatoru priekšrocība ir spēja sasmalcināt daļiņas līdz mazākam un vienmērīgākam izmēram neatkarīgi no tā, vai procesa mērķis ir iegūt mikrodaļiņas vai nanodaļiņas. Kavitācijas radītie bīdes spēki un šķidruma plūsmas paātrina daļiņas, tādēļ tās savstarpēji saduras. To sauc par daļiņu savstarpējo sadursmi. Pašas daļiņas darbojas kā malšanas vide, novēršot piesārņojumu ar malšanas lodītēm un nepieciešamību pēc turpmāka atdalīšanas procesa, kas ir vajadzīgs, izmantojot parastās lodīšu dzirnavas. Tā kā daļiņas savstarpēji saduras ļoti lielā ātrumā, kas sasniedz līdz pat 280m/sec, uz tām iedarbojas ārkārtīgi lieli spēki, kuru ietekmē tās sašķīst sīkos fragmentos. Berze un erozija piešķir šiem daļiņu fragmentiem pulētu virsmu un vienveidīgu formu. Bīdes spēku un daļiņu savstarpējo sadursmju kombinācija nodrošina ultraskaņas homogenizācijas un disperģēšanas priekšrocības, ļaujot iegūt ļoti viendabīgas koloidālās suspensijas un dispersijas!
Tālāk redzamā attēlu secība parāda ultraskaņas kavitācijas spēku iedarbību uz grafīta pārslām.
Ātrfilmēšanas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisko eksfoliāciju ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultraskaņas ierīci ar 3-mm sonotrodi. Bultiņas norāda šķelšanās (eksfoliācijas) vietu, kur kavitācijas burbuļi iespiežas plaisā.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Nanomateriālu disperģēšana un homogenizācija
Gan emulsiju, gan dispersiju gadījumā maisījumu sagatavošana ar nanometru izmēra daļiņām ir sarežģīts uzdevums. Lielākā daļa tradicionālo homogenizācijas un sajaukšanas tehnoloģiju, piemēram, lāpstiņu maisītāji, lodīšu dzirnavas, augstspiediena homogenizatori un citi maisītāji, spēj radīt mikrometru izmēra daļiņas, taču nespēj droši sasmalcināt pilienus un cietās daļiņas līdz nanometru izmēram. Tas galvenokārt ir saistīts ar nepietiekamu intensitāti. Piemēram, lāpstiņu maisītāji nenodrošina pietiekamu bīdi, lai sasmalcinātu daļiņas līdz nanometru izmēram. Lodīšu dzirnavas, kas ir vēl viens homogenizatoru veids, nespēj vienmērīgi sasmalcināt cietvielas līdz daļiņām, kas ir smalkākas par pašām lodītēm (malšanas vidi). Tradicionālo malšanas lodīšu vidējais izmērs ir robežās no 1 500 mm līdz 35 000 mm. Vēl viena problēma ir piesārņojums, ko rada malšanas vides nodilums. Tā kā ultraskaņas ierīces nodrošina ārkārtīgi lielus, tomēr precīzi kontrolējamus bīdes spēkus, ultraskaņas kavitācija ir vēlamā tehnoloģija drošai nanodispersiju un nanoemulsiju iegūšanai laboratorijas (pētniecības un izstrādes), pilotmēroga un rūpnieciskās iekārtās.
Ar ultraskaņu iegūtām dispersijām ir vienmērīgs daļiņu izmēru sadalījums un vienmērīgi samazināts daļiņu izmērs. Līknes attēlo silīcija dioksīda daļiņu sadalījumu pirms apstrādes ar ultraskaņu (zaļā līkne) un pēc disperģēšanas ar ultraskaņu (sarkanā līkne).
Ultraskaņas homogenizācijas procesu mēroga palielināšana
Pārejot no laboratorijas ultraskaņas homogenizatora uz pilotmēroga ultraskaņas ierīci un no pilotmēroga sistēmas uz pilna ražošanas mēroga ultraskaņas homogenizatoru, mērogu var palielināt pilnīgi lineāri! Visi svarīgie procesa parametri, piemēram, amplitūda, spiediens, temperatūra un apstrādes laiks, tiek uzturēti nemainīgi; tiek palielināts tikai ultraskaņas zondes virsmas laukums, un ultraskaņas ierīce, kas nodrošina enerģiju zondes svārstībām, tiek aizstāta ar lielāku un jaudīgāku ierīci. Ultraskaņas homogenizācijas procesu lineārā mērogojamība ļauj liela mēroga ražošanā iegūt tikpat augstas kvalitātes rezultātus kā laboratorijas un pilotmēroga apstākļos.
Atrodiet savam procesam vispiemērotāko ultraskaņas homogenizatoru!
Hielscher Ultrasonics ir jūsu partneris ar ilggadēju pieredzi ultraskaņas homogenizatoru jomā. Visas Hielscher ultraskaņas ierīces tiek projektētas, ražotas un pārbaudītas mūsu galvenajā mītnē Vācijā, pirms tās nosūtām klientiem visā pasaulē. Hielscher ultraskaņas homogenizatori ir augstas kvalitātes ierīces, kurām raksturīga nemainīgi augsta veiktspēja, uzticamība, izturība un lietošanas ērtums. Ultraskaņas homogenizācijas tehnoloģijas tehniskā pilnība sniedz Hielscher iekārtu lietotājiem konkurences priekšrocības, kas padara viņus par tirgus līderiem savā nozarē. Pateicoties plašajam produktu klāstam, kas ietver laboratorijas un galda homogenizatorus, pilotmēroga sistēmas un pilna rūpnieciskā mēroga ultraskaņas homogenizatorus komerciālai ražošanai, Hielscher piedāvā jūsu prasībām ideāli piemērotu ultraskaņas sajaukšanas sistēmu. Daudzveidīgie piederumi ļauj izveidot ideālu ultraskaņas homogenizatora konfigurāciju – atbilstoši individuālajām vajadzībām.
Pastāstiet mums par sava procesa prasībām un specifikācijām – mēs labprāt ieteiksim jūsu lietojumam vispiemērotāko un efektīvāko ultraskaņas homogenizatoru!
Augsta efektivitāte, izmantojot ultraskaņas homogenizatorus
Pateicoties ārkārtējai procesa efektivitātei, saprātīgām ieguldījumu izmaksām, ļoti augstai energoefektivitātei un zemām darbaspēka un apkopes izmaksām, Hielscher ultraskaņas homogenizatori pārspēj tradicionālās homogenizācijas tehnoloģijas un nodrošina ātru ieguldījumu atdevi (RoI). Bieži vien ultraskaņas homogenizators atmaksājas dažu mēnešu laikā.
Lieljaudas ultraskaņa rūpnieciskai homogenizācijai
Amplitūda ir vissvarīgākais procesa parametrs ultraskaņas ierosinātos homogenizācijas procesos. Visas Hielscher ultraskaņas iekārtas ļauj precīzi regulēt amplitūdu. Atkarībā no procesa mērķa var iestatīt mazāku amplitūdu saudzīgākiem apstrādes apstākļiem vai izvēlēties lielu amplitūdu intensīvākai daļiņu sagraušanai disperģēšanas laikā. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Nepārtrauktu darbību ar amplitūdu līdz 200µm var viegli nodrošināt 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Ultraskaņas homogenizatoriem nepieciešama neliela apkope
Ultraskaņas homogenizatori ir ne tikai viegli tīrāmi, jo sonotrode un reaktors ir vienīgie komponenti, kas saskaras ar apstrādājamo materiālu un tiek samitrināti. Sonotrode (pazīstama arī kā ultraskaņas ragveida uzgalis vai zonde) ir izgatavota no titāna, bet reaktors – no nerūsējošā tērauda, un to ģeometrija ir vienkārša, bez atverēm vai necaurplūstošiem stūriem.
Vienīgā detaļa, kas ir pakļauta nodilumam, ir ultraskaņas zonde, kuru var nomainīt bez būtiskiem darbības pārtraukumiem. Laboratorijas ultraskaņas iekārtas sonotrodi nomaina aptuveni 10 min laikā, savukārt rūpnieciska ultraskaņas homogenizatora sonotrodes nomaiņa var aizņemt aptuveni 30–45 min.
Sazinieties ar mums jau tagad! Mūsu pieredzējusī komanda labprāt sniegs tehnisko informāciju un ar procesu saistītus ieteikumus!
Tālāk sniegtā tabula ļauj novērtēt mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 līdz 60L | 0,6 līdz 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | iekārtu grupa: UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.
Bieži uzdotie jautājumi par homogenizatoriem
- Kāds ir homogenizatora darbības princips? Homogenizators iedarbojas uz šķidrumiem, suspensijām un duļķēm ar bīdes spēkiem. Bīde samazina daļiņu izmēru cietvielu un šķidrumu maisījumos, kā arī šķidrumu maisījumos un nodrošina vienmērīgu daļiņu izmēru sadalījumu. Homogenizatori var radīt stabilas emulsijas vai dispersijas.
- Kāds ir homogenizācijas procesa princips? Homogenizācijas pamatprincips ir mehāniska spēka, piemēram, ultraskaņas vibrāciju un kavitācijas, iedarbība uz neviendabīgu maisījumu, lai sasmalcinātu daļiņas līdz vienmērīgi mazam izmēram, iegūstot viendabīgu un stabilu maisījumu, kas laika gaitā nenoslāņojas.
- Kāds ir homogenizācijas galvenais mērķis? Homogenizācijas galvenais mērķis ir uzlabot produkta stabilitāti un konsistenci, samazinot daļiņu izmēru. Šis process uzlabo maisījuma fizikālās īpašības, piemēram, viskozitāti, tekstūru un glabāšanas ilgumu, tādēļ tas ir būtisks pārtikas pārstrādē, farmācijā un kosmētikas ražošanā.
Lasiet vairāk par ultraskaņas homogenizatoriem pārtikas apstrādei! - Kas ir ultraskaņas homogenizācija? Ultraskaņas homogenizācijā izmanto augstfrekvences skaņas viļņus, lai šķidrā vidē izraisītu kavitāciju, kas rada intensīvus bīdes spēkus, kuri sagrauj daļiņas mikroskopiskā līmenī. Šī metode ir īpaši efektīva šūnu sagraušanai, nanodaļiņu disperģēšanai un emulģēšanai.
- Kā apstrādi ar ultraskaņu izmanto homogenizācijai? Homogenizācijai paredzēta apstrāde ar ultraskaņu ietver ultraskaņas enerģijas iedarbību uz paraugiem, lai panāktu smalku, vienmērīgu sajaukšanu. Šis process ir efektīvs disperģēšanai, emulģēšanai un daļiņu izmēra samazināšanai šķidrumā, un to plaši izmanto gan pētniecībā, gan rūpniecībā.
- Kādi ir 2 apstrādes ar ultraskaņu metožu veidi? Divi galvenie apstrādes ar ultraskaņu metožu veidi ir tiešā un netiešā apstrāde ar ultraskaņu. Tiešā apstrāde ar ultraskaņu ietver zondes iegremdēšanu tieši paraugā, savukārt netiešā apstrāde ar ultraskaņu notiek vannā, kur paraugi ir ievietoti traukā, kas iegremdēts ultraskaņas pārraidei piemērotā šķidrumā. Tiešā apstrāde ar ultraskaņu parasti ir intensīvāka un efektīvāka homogenizācijai nekā netiešā apstrāde ar ultraskaņu.
Literatūra / Atsauces
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.