Homogenizatori – Darbības princips, izmantošana un paplašināšana
Homogenizatori ir maisītāju veids, kas pielieto mehāniskus spēkus, lai sajauktu, emulģētu, izkliedētu un izšķīdinātu šķidruma-šķidruma un cietā šķidruma sistēmas. Atkarībā no homogenizatora modeļa rotācijas bīde, sprauslas vai lieljaudas ultraskaņa tiek izmantotas, lai radītu nepieciešamos spēkus, lai sadalītu un sadalītu cietās daļiņas, kā arī šķidruma pilienus. Uzziniet vairāk par homogenizatoru ierīcēm un to pielietojumu pētniecībā un ražošanā!
Kas ir homogenizators?
Homogenizators ir maisīšanas ierīču klase, kas paredzēta, lai sadalītu daļiņas, gan cietas, gan šķidras, vienotā maisījumā. Homogenizatori ir pieejami kā laboratorijas, stenda un rūpnieciskās iekārtas, ko izmanto dažādiem lietojumiem pētniecībā un rūpniecībā. Tipisks homogenizatora pielietojums ietver dažādu materiālu, tostarp daļiņu, pigmentu, ķīmisko vielu, augu, pārtikas, šūnu, audu sajaukšanu un sadalīšanos.
Lūdzu, sazinieties ar mums, lai uzzinātu vairāk par homogenizatoriem, ultraskaņu un to, kā jūs varat izmantot mūsu ultraskaņas apstrādātājus savam procesam!
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks inline homogenizators ar 16 000 vatu jaudas ultrasonikatoriem prasīgiem lietojumiem, piemēram, nanodispersijām un nanoemulsijām.
Pārskats par dažādiem homogenizatoru veidiem
Dažādi homogenizatoru veidi ir komerciāli pieejami izmantošanai stenda un rūpnieciskā liela mēroga ražošanā. Tomēr rotora / statora (koloīdu) maisītāji, augstspiediena homogenizatori un ultraskaņas homogenizatori ir visplašāk izmantotie modeļi.
Lāpstiņriteņa vai asmens maisītājiem ir vērpšanas asmens, kas maisīšanas trauka apakšā rotē lielā ātrumā, tādējādi apvienojot dažādus materiālus viendabīgā maisījumā.
Kā jau norāda rotora/statora maisītāja nosaukums, rotora/statora maisītājam ir rotors un statora komponents. Rotors ir metāla vārpsta, kas griežas lielā ātrumā statorā. Stators ir metāla daļa, kas paliek nekustīga. Rotora rotācija rada sūkšanas efektu, kas pārvieto cietā šķidruma materiālu starp statoru un rotoru, kur cietās vielas tiek samazinātas līdz mazākam daļiņu izmēram.
Augstspiediena homogenizatora (HPH) darbības princips ir balstīts uz augstspiediena sūkņa un vārsta (sprauslas, atveres) izmantošanu, kas padara aprīkojumu 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. Jo īpaši, apstrādājot cietas vielas, HPH ir pakļauti aizsērēšanai.
Ultraskaņas homogenizatori izmanto augstas bīdes spēkus, ko rada akustiskā kavitācija, kas dod viņiem dažādas priekšrocības salīdzinājumā ar citām homogenizācijas metodēm. Ultraskaņas homogenizācijas darba princips un priekšrocības ir norādītas zemāk.
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 ļoti intensīvu augstas bīdes maisītāju. Super-intensīvo augstas bīdes spēku noslēpums ir akustiskā kavitācija, ko rada lieljaudas ultraskaņas viļņi. Ultraskaņas homogenizatoram ir ģenerators, kas ir barošanas un vadības bloks, un devējs. Devējs satur pjezoelektrisko keramiku. Šie pjezoelektriskie keramikas izstrādājumi pārveido elektrisko enerģiju svārstībās, jo pjezoelektriskie kristāli maina savu izmēru 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.
Pēc tam ģenerētie ultraskaņas viļņi tiek savienoti caur ultraskaņas zondi (sonotrode / horn) procesa vidē. Ultraskaņas zondes amplitūda nosaka ultraskaņas viļņu intensitāti, kas tiek pārraidīta šķidrumā vai vircā. Ultraskaņas viļņi rada mainīgus augstspiediena un zema spiediena ciklus šķidrā vidē. 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 implosija var radīt arī šķidruma strūklas ar lielu ātrumu līdz 280 m/s, kā rezultātā rodas spēcīgi bīdes spēki. Bīdes spēki izjauc daļiņas, izraisa starpdaļiņu sadursmi un mehāniski izjauc pilienus un šūnas, vienlaikus veicinot ļoti efektīvu masas pārnesi. Šie kavitācijas spēki rada vienmērīgas un viendabīgas dispersijas, emulsijas un suspensijas, un ir zināms, ka tie veicina arī ķīmiskās reakcijas (tā saukto sonochemistry).
Akustiskā kavitācija (ko rada lieljaudas ultraskaņa) rada lokāli ekstremālus apstākļus, tā sauktos sonomehāniskos un sonoķīmiskos efektus. Šo efektu dēļ ultraskaņas apstrāde samazina cietās un šķidrās daļiņas un sajauc tās viendabīgā preparātā.
Ultraskaņas kavitācija cascatrode zondē ultrasonicator UIP1000hdT (1000 vati, 20kHz) stikla reaktorā. Sarkanā gaisma no apakšas tiek izmantota, lai uzlabotu kavitācijas redzamību.
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 ultrasonatori izmanto ultraskaņas kavitācijas darba principu, materiālam jābūt mitram vai mitrā fāzē, jo kavitācija notiek tikai šķidrumā. Tas nozīmē, ka ultrasonikators nebūtu ļoti efektīvs, sajaucot sausu pulveri, bet, tiklīdz pulveris tiek samitrināts, ultraskaņas apstrāde ir visefektīvākā metode sajaukšanai. Ultraskaņas homogenizatori ir labi zināmi, lai droši sajauktu, sajauktu un izkliedētu pat pastas un ļoti viskozus materiālus. Ārkārtīgi intensīvie spēki, ko izraisa kavitācijas burbuļu implosija, rada ne tikai ļoti spēcīgus augstas bīdes spēkus, bet arī lokāli ierobežotu augstu temperatūru un spiedienu, kā arī attiecīgus diferenciāļus. Šī fizisko spēku kombinācija izjauc daļiņas daudz mazākos izmēros nekā parastais homogenizators. Tāpēc ultraskaņas homogenizatori ir vēlamais aprīkojums nano izmēra emulsiju un dispersiju uzticamai ražošanai.
- lieliska efektivitāte
- spēj piegādāt ļoti koncentrētu enerģiju
- Izcili rezultāti mikronos un nano
- mikronu un nano izmēra emulsijām un dispersijām
- jebkurš tilpums no ml līdz tonnām/h
- Partija un iekļautā versija
- vienreizējai caurlaidei un recirkulācijai
- Precīza procesa kontrole
- vienkārša darbība
- viegla tīrīšana
- zema apkope
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 ekstrahētu bioloģisko materiālu, pastiprinātu ķīmiskās reakcijas un izšķīdinātu šķīstošos savienojumus.
Ultraskaņas emulgācija
Emulgācija ir divu vai vairāku nesajaucamu šķidrumu sajaukšanas process, 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 līdzeklis O / W un W / O emulsiju, apgriezto emulsiju, dubulto emulsiju (O / W / O, W / O / W), mini emulsiju, kā arī Pickering emulsiju ražošanai. Pamatojoties uz šo elastību un uzticamo emulgācijas spēju, ultraskaņas homogenizatori (dažreiz arī saukti 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 nanoemulsijas un Pickering emulsijas!
Ultraskaņas dispersija
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 vienveidīgākiem daļiņu izmēriem, neatkarīgi no tā, vai procesa rezultātā tiek mērķētas mikronu vai nanodaļiņas. Kavitācijas bīdes spēki un šķidruma plūsmas paātrina daļiņas tā, lai tās saduras viena ar otru. To sauc par starpdaļiņu sadursmi. Daļiņas pašas darbojas kā frēzēšanas vide, kas novērš piesārņojumu ar slīpēšanas lodītēm un turpmāko atdalīšanas procesu, kas ir nepieciešams, ja tiek izmantotas parastās lodīšu dzirnavas. Tā kā daļiņas saduras, savstarpēji saduroties ar ļoti lielu ātrumu līdz 280m/sek., daļiņām tiek pielikti ārkārtīgi lieli spēki, 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 homogenizācijai un dispersijai izdevīgu malu, nodrošinot ļoti viendabīgas koloidālas suspensijas un dispersijas!
Zemāk redzamā attēlu secība attēlo ultraskaņas kavitācijas spēkus uz grafīta pārslām.
Ātrdarbīga kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultrasonikators ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
© 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 tradicionālo homogenizācijas un sajaukšanas metožu, piemēram, asmeņu maisītāji, lodīšu dzirnavas, augstspiediena homogenizatori un citi maisītāji, spēj ražot mikronu izmēra daļiņas, taču tie nevar droši sadalīt pilienus un cietās vielas līdz nano izmēram. Tas galvenokārt ir saistīts ar nepietiekamu intensitāti. Piemēram, asmeņu maisītāji nenodrošina pietiekami daudz bīdes, lai sadalītu daļiņas līdz nano izmēram. Lodīšu dzirnavas, cita veida homogenizators, nevar sasmalcināt cietas vielas vienmērīgi līdz smalkākam daļiņu izmēram nekā pašas lodītes (slīpēšanas materiāls). Parasto slīpēšanas lodīšu vidējais izmērs ir no 1,500 mm – 35 000 mm. Vēl viena problēma ir piesārņojums ar frēzēšanas vides nodilumu. Tā kā ultrasonikatori nodrošina ārkārtīgi augstus, bet precīzi kontrolējamus bīdes spēkus, ultraskaņas kavitācija ir vēlamā metode uzticamai nano-dispersijas un nano-emulsiju ražošanai laboratorijā (R&D), izmēģinājuma un rūpnieciskās iekārtas.
Ultraskaņas dispersijas parāda vienmērīgu daļiņu izmēra sadalījumu ar viendabīgi samazinātām daļiņām. Līknes parāda silīcija dioksīda daļiņu sadalījumu pirms ultraskaņas (zaļā līkne) un pēc ultraskaņas dispersijas (sarkanā līkne).
Ultraskaņas homogenizācijas procesu mērogošana
Mērogojot no laboratorijas ultraskaņas homogenizatora līdz izmēģinājuma ultrasonikatoram un no izmēģinājuma sistēmas līdz pilna mēroga ražošanas ultraskaņas homogenizatoram, mērogu var izmantot pilnīgi lineāri! Visi svarīgie procesa parametri, piemēram, amplitūda, spiediens, temperatūra un apstrādes laiks, tiek saglabāti nemainīgi, tikai ultraskaņas zondes virsmas laukums un ultrasonikators kā zondes enerģētiskais maisītājs tiek mērogoti uz lielākām, jaudīgākām vienībām. Ultraskaņas homogenizācijas procesu lineārā mērogojamība ļauj iegūt lielos ražošanā tādus pašus augstas kvalitātes rezultātus kā laboratorijas un izmēģinājuma iestatījumos.
Atrodiet savam procesam vispiemērotāko ultraskaņas homogenizatoru!
Hielscher Ultrasonics ir jūsu ilggadējais pieredzējušais partneris ultraskaņas homogenizatoriem. Visi Hielscher ultrasonikatori ir projektēti, ražoti un pārbaudīti mūsu galvenajā mītnē Vācijā, pirms mēs tos piegādājam mūsu klientiem visā pasaulē. Hielscher ultraskaņas homogenizatori ir augstas kvalitātes ierīces, ko raksturo pastāvīga augsta veiktspēja, uzticamība, izturība un lietotājdraudzīgums. Ultraskaņas homogenizācijas tehnoloģijas tehniskā izsmalcinātība dod Hielscher iekārtu lietotājiem konkurences priekšrocības, kas padara tos par tirgus līderi savā nozarē. Ar plašu produktu klāstu no laboratorijas un stenda homogenizatoriem, izmēģinājuma sistēmām un pilnas rūpniecības ultraskaņas homogenizatoriem komerciāliem ražojumiem, Hielscher ir ideāla ultraskaņas sajaukšanas sistēma jūsu prasībām. Kolektora piederumi nodrošina ideālu ultraskaņas homogenizatora iestatīšanu – Individuālo vajadzību saskaņošana.
Pastāstiet mums par savām procesa prasībām un specifikācijām – Mēs ar prieku ieteiksim jums vispiemērotāko un efektīvāko ultraskaņas homogenizatoru jūsu pieteikumam!
Augsta efektivitāte, izmantojot ultraskaņas homogenizatorus
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 maigākiem apstrādes apstākļiem var iestatīt zemāku amplitūdu vai destruktīvākiem izkliedes rezultātiem var izvēlēties augstu amplitūdu. Hielscher rūpnieciskie sonikatori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.
Zemas uzturēšanas prasības ultraskaņas homogenizatoriem
Ultraskaņas homogenizatori ir ne tikai viegli tīrāmi, jo sonotrods 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 sonotrods tiek mainīts aptuveni 10 minūšu laikā, savukārt rūpnieciskā ultraskaņas homogenizatora sonotroda maiņa var aizņemt aptuveni 30-45 minūtes.
Sazinieties ar mums tūlīt! Mūsu pieredzējusī komanda ar prieku sniegs tehnisko informāciju un ar procesu saistītus ieteikumus!
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 0.3 līdz 60L | 06 līdz 12 l/min | UIP6000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Bieži uzdotie jautājumi par homogenizatoriem
- Kāds ir homogenizatora darbības princips? Homogenizators šķidrumiem, suspensijām un vircai pielieto bīdes spēkus. Bīde samazina cieto šķidrumu un šķidruma-šķidruma maisījumu daļiņu izmēru un rada vienmērīgu daļiņu izmēru sadalījumu. Homogenizatori var radīt stabilas emulsijas vai dispersijas.
- Kāds ir homogenizācijas procesa princips? Homogenizācijas pamatprincips ietver mehāniska spēka pielietošanu, piemēram, ultraskaņas vibrāciju un kavitāciju neviendabīgam maisījumam, lai sadalītu daļiņas vienmērīgi smalkā izmērā, panākot konsekventu un stabilu maisījumu, kas laika gaitā novērš atdalīšanu.
- 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 laiku, padarot to izšķirošu pārtikas pārstrādē, farmācijā un kosmētikā.
Lasiet vairāk par ultraskaņas pārtikas homogenizatoriem! - Kas ir ultraskaņas homogenizācija? Ultraskaņas homogenizācija izmanto augstfrekvences skaņas viļņus, lai izraisītu kavitāciju šķidrā vidē, kā rezultātā rodas intensīvi bīdes spēki, kas mikroskopiskā līmenī noārda daļiņas. Šī metode ir īpaši efektīva šūnu darbības traucējumiem, nanodaļiņu dispersijai un emulgācijai.
- Kas ir ultraskaņas apstrāde homogenizācijai? Ultraskaņas apstrāde homogenizācijai ietver ultraskaņas enerģijas pielietošanu paraugiem, lai panāktu smalku, vienmērīgu sajaukšanu. Šis process ir efektīvs, lai izkliedētu, emulģētu un samazinātu daļiņu izmēru šķidrumā, ko plaši izmanto gan pētniecības, gan rūpniecības kontekstā.
- Kādi ir 2 ultraskaņas apstrādes metožu veidi? Divi galvenie ultraskaņas apstrādes metožu veidi ir tieša un netieša ultraskaņas apstrāde. Tiešā ultraskaņas apstrāde ietver zondes iegremdēšanu tieši paraugā, bet netiešā ultraskaņas apstrāde notiek vannā, kur paraugi tiek ievietoti traukā, kas iegremdēts ultraskaņas apstrādei draudzīgā šķidrumā. Tiešā ultraskaņas apstrāde parasti ir intensīvāka un efektīvāka homogenizācijai nekā netieša ultraskaņas apstrāde.
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.