Homogenisatoren – Werkingsprincipe, gebruik en opschaling

Homogenisatoren zijn een soort mengers, die mechanische krachten uitoefenen om vloeibaar-vloeibaar en vast-vloeibaar systemen te mengen, te emulgeren, te dispergeren en op te lossen. Afhankelijk van het homogenisatormodel wordt gebruik gemaakt van rotatiescheerders, spuitmonden of ultrasoon geluid met hoog vermogen om de vereiste krachten te creëren voor het uiteenvallen en breken van vaste deeltjes en vloeistofdruppels. Meer informatie over homogenisatoren en hun toepassingen in onderzoek en productie!

Wat is een homogenisator?

Een homogenisator is een klasse van menginrichtingen, die is ontworpen om deeltjes, zowel vaste als vloeibare, te breken tot een uniform mengsel. Homogenisatoren zijn beschikbaar als laboratorium-, bench-top- en industriële apparatuur die wordt gebruikt voor diverse toepassingen in onderzoek en industrie. Typische toepassingen van homogenisatoren zijn het mengen en uiteenvallen van diverse materialen, waaronder deeltjes, pigmenten, chemicaliën, planten, voedsel, cellen, weefsels, enz.

Overzicht van verschillende types homogenisatoren

Er zijn verschillende types homogenisatoren in de handel verkrijgbaar voor gebruik bij productie op grote schaal op een werkbank en in de industrie. De rotor/stator (colloïd)-mengers, hogedruk-homogenisatoren en ultrasone homogenisatoren zijn echter de meest gebruikte modellen.
Waaier- of schoepenmixers hebben een ronddraaiend mes, dat met hoge snelheid ronddraait op de bodem van het mengvat, waardoor verschillende materialen tot een homogeen mengsel worden samengevoegd.
Zoals de naam van de rotor/stator menger al impliceert, heeft een rotor/stator mixer een rotor en een stator component. De rotor is een metalen as die met hoge snelheid ronddraait in de stator. De stator is het metalen deel dat stil blijft staan. De rotatie van de rotor creëert een zuigeffect dat het vast-vloeibaar materiaal tussen de stator en de rotor verplaatst, waar de vaste deeltjes worden verkleind tot kleinere deeltjes.
Het werkingsprincipe van de hogedrukhomogenisator (HPH) is gebaseerd op het gebruik van een hogedrukpomp en een klep (mondstuk, opening), waardoor de apparatuur groot, zwaar en duur is. De verwerkte slurry wordt met hoge stroomsnelheid door een kleine opening geperst, waardoor de deeltjes kleiner worden, aangezien de deeltjes een bepaalde kleine afmeting moeten hebben om door de klep te kunnen. Vooral bij de verwerking van vaste stoffen zijn HPH's gevoelig voor verstopping.
ultrasone Homogenisatoren maken gebruik van de hoge afschuifkrachten die door akoestische cavitatie worden opgewekt, waardoor zij verschillende voordelen hebben ten opzichte van andere homogeniseringstechnieken. Het werkingsprincipe en de voordelen van ultrasone homogenisatie worden hieronder toegelicht.

Ultrageluid met hoog vermogen als homogeniserende kracht

Een ultrasone homogenisator maakt gebruik van ultrasone trillingen en cavitatie van hoge intensiteit om zeer intense afschuifkrachten te creëren en kan daarom een super-intense high-shear menger worden genoemd. Het geheim achter de superintensieve high-shear krachten is akoestische cavitatie, die wordt opgewekt door ultrasone geluidsgolven met een hoog vermogen. Een ultrasone homogenisator heeft een generator, die de voeding en besturingseenheid is, en een transducer. De omvormer bevat piëzo-elektrisch keramiek. Deze piëzo-elektrische keramiek zet de elektrische energie om in oscillatie, aangezien de piëzo-elektrische kristallen van grootte en vorm veranderen wanneer er spanning op wordt gezet. Wanneer de frequentie van de elektronische oscillator gelijk is aan de natuurlijke frequentie van de piëzo-elektrische kwarts, treedt resonantie op. Onder resonantieomstandigheden produceert de kwarts longitudinale ultrasone golven met een grote amplitude.
De opgewekte ultrageluidsgolven worden vervolgens via de ultrasone sonde (sonotrode / hoorn) aan het procesmedium gekoppeld. De amplitude bij de ultrasone sonde bepaalt de intensiteit van de ultrasone golven, die in de vloeistof of slurry worden overgebracht. De ultrasone golven genereren afwisselend hoge-druk- en lagedrukcycli in vloeibare media. Tijdens de lagedrukcyclus produceren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbelletjes in de vloeistof. Tijdens de hogedrukcyclus storten de kleine vacuümbelletjes destructief in elkaar. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Implosie van cavitatiebelletjes kan ook vloeistofstralen met een hoge snelheid tot 280 m/s genereren, wat resulteert in krachtige afschuifkrachten. De afschuifkrachten breken de deeltjes, veroorzaken botsingen tussen de deeltjes en verstoren de druppels en cellen mechanisch, waardoor tegelijkertijd een zeer efficiënte massaoverdracht wordt bevorderd. Deze cavitatiekrachten produceren uniforme en homogene dispersies, emulsies en suspensies en staan er ook om bekend chemische reacties te bevorderen (de zogenaamde sonochemie).

Akoestische cavitatie (opgewekt door ultrasoon geluid met hoog vermogen) creëert plaatselijk extreme omstandigheden, de zogenaamde sonomechanische en sonochemische effecten. Door deze effecten verkleint sonicatie vaste en vloeibare deeltjes en vermengt ze tot een homogene formulering.

ultrasone Homogenisatoren – voordelen

Ultrasone homogenisatoren zijn superieur wanneer het gaat om de productie van vast-vloeibaar (zogenaamde slurries) en vloeibaar-vloeibaar suspensies en oplossingen. Aangezien ultrasone apparaten het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie gebruiken, moet het materiaal nat zijn of zich in een natte fase bevinden, aangezien cavitatie alleen in vloeistof optreedt. Dit betekent dat een ultrasoonapparaat niet erg efficiënt zou zijn voor het mengen van een droog poeder, maar zodra het poeder nat wordt, is sonicatie de meest efficiënte methode voor het mengen. Ultrasone homogenisatoren staan erom bekend dat zij zelfs pasta's en zeer viskeuze materialen op betrouwbare wijze kunnen mengen, blenden en dispergeren. De buitengewoon intense krachten veroorzaakt door de implosie van cavitatiebellen creëert niet alleen zeer krachtige hoge-schuifkrachten maar ook plaatselijk begrensde hoge temperaturen en drukken alsook respectieve differentiëlen. Deze combinatie van fysische krachten verstoort deeltjes tot veel kleinere afmetingen dan een conventionele homogenisator. Daarom zijn ultrasone homogenisatoren de aangewezen apparatuur voor de betrouwbare productie van emulsies en dispersies van nanogrootte.

Toepassingen van ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren worden veel gebruikt in laboratoria en industriële installaties voor het homogeniseren van vast-vloeibaar en vloeibaar-vloeibaar suspensies, het verkleinen van de deeltjesgrootte, het verstoren en extraheren van biologisch materiaal, het intensiveren van chemische reacties en het oplossen van oplosbare verbindingen.

ultrasone Emulgeren

Emulgeren is het proces waarbij twee of meer niet-mengbare vloeistoffen met elkaar worden vermengd om een stabiel of halfstabiel mengsel te verkrijgen. In het algemeen bestaan deze twee vloeistoffen uit een oliefase en een waterige (water) fase. Om het mengsel van de verschillende vloeistoffasen te stabiliseren, wordt een emulgator (oppervlakte-actieve stof / co-surfactant) toegevoegd. De druppelgrootte van een emulsie speelt een cruciale rol als het gaat om de functionaliteit en stabiliteit van een emulsie. Aangezien power-ultrasound sonomechanische krachten creëert, die druppels opbreken en tot minuscule druppels reduceren, is sonicatie een zeer populaire methode voor de productie van micron- en nano-emulsies. Ultrasone homogenisatoren zijn een betrouwbaar instrument voor de productie van O/W- en W/O-emulsies, omgekeerde emulsies, dubbele emulsies (O/W/O, W/O/W), mini-emulsies, alsmede Pickering-emulsies. Op grond van deze flexibiliteit en het betrouwbare emulgeervermogen worden ultrasone homogenisatoren (soms ook ultrasone emulgatoren genoemd wanneer zij voor emulsificatie worden gebruikt) bijvoorbeeld gebruikt in de chemische, levensmiddelen-, farmaceutische en brandstofindustrie om op lange termijn stabiele emulsies te produceren.
Klik op de volgende links voor meer informatie over Nano-emulsiesen Pickering emulsies!

ultrasone Dispersion

Ultrasone homogenisatoren zijn zeer doeltreffend wanneer agglomeraten van deeltjes, aggregaten en zelfs primaire deeltjes op betrouwbare wijze in grootte moeten worden teruggebracht. Het voordeel van ultrasone homogenisatoren is hun vermogen om deeltjes te vermalen tot kleinere en meer uniforme deeltjesgroottes, ongeacht of micron- of nanodeeltjes als procesresultaat worden beoogd. Schuifkrachten van de cavitatie en vloeistofstromen versnellen de deeltjes zodat zij met elkaar in botsing komen. Dit staat bekend als interdeeltjesbotsing. De deeltjes zelf fungeren als maalmedium, waardoor verontreiniging door maalkorrels en het daaropvolgende scheidingsproces, dat noodzakelijk is wanneer conventionele korrelmolens worden gebruikt, worden vermeden. Aangezien de deeltjes door interpartikelbotsing tegen elkaar botsen bij zeer hoge snelheden tot 280 m/sec, komen er buitengewoon grote krachten op de deeltjes te staan, die daardoor in minuscule fracties uiteenvallen. Door wrijving en erosie krijgen deze deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniform gevormde vorm. De combinatie van afschuifkrachten en interdeeltjesbotsing geeft ultrasone homogenisatie en dispersie het voordeel van zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies!
Onderstaande afbeeldingenreeks toont de cavitatiekrachten van ultrageluid op grafietvlokken.

Een reeks ultrasnelle beelden (van a tot f) ter illustratie van de sonomechanische afschilfering van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een 200W ultrasoon apparaat met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebelletjes die in de spleet doordringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersie en homogenisering van nanomaterialen

Voor zowel emulsies als dispersies is de bereiding van mengsels met nanogrootte een uitdagende taak. De meeste conventionele homogenisatie- en mengtechnieken zoals mesmengers, kraalmolens, hogedrukhomogenisatoren en andere mengers kunnen deeltjes met micron-afmetingen produceren, maar zij kunnen niet op betrouwbare wijze druppels en vaste stoffen tot nanogrootte afbreken. Dit is meestal te wijten aan onvoldoende intensiteit. Schoepenmixers leveren bijvoorbeeld niet genoeg afschuiving om deeltjes tot nanogrootte te breken. Kralenmolens, een ander type homogenisator, kunnen vaste deeltjes niet uniform malen tot een fijnere deeltjesgrootte dan de kralen (maalmedia) zelf. Conventionele maalkorrels hebben een gemiddelde grootte tussen 1.500 mm – 35.000 mm. Een ander probleem is de verontreiniging door slijtage van het maalmedium. Aangezien ultrasone apparaten buitengewoon hoge, maar nauwkeurig controleerbare afschuifkrachten leveren, is ultrasone cavitatie de aangewezen techniek voor de betrouwbare productie van nano-dispersie en nano-emulsies in het laboratorium (R&D), proefopstellingen en industriële opstellingen.

Opschaling van ultrasone homogeniseerprocédés

Bij het opschalen van een laboratorium ultrasoon homogenisator naar een pilot ultrasoon apparaat, en van een pilot systeem naar een full-scale productie ultrasoon homogenisator, kan de opschaling volledig lineair worden toegepast! Alle belangrijke procesparameters zoals amplitude, druk, temperatuur en verwerkingstijd worden constant gehouden, alleen het oppervlak van de ultrasone sonde en de ultrasoon als energetisch roerwerk van de sonde worden opgeschaald naar grotere, krachtigere eenheden. De lineaire schaalbaarheid van ultrasone homogenisatieprocessen maakt het mogelijk in grote productie dezelfde resultaten van hoge kwaliteit te verkrijgen als in laboratorium- en proefopstellingen.

Vind de meest geschikte ultrasone homogenisator voor uw proces!

Hielscher Ultrasonics is uw jarenlange ervaren partner voor ultrasone homogenisatoren. Alle Hielscher ultrasoon homogenisatoren worden ontworpen, geproduceerd en getest in ons hoofdkantoor in Duitsland voordat wij ze wereldwijd naar onze klanten verzenden. Hielscher ultrasoon homogenisatoren zijn hoogwaardige apparaten die worden gekenmerkt door constante hoge prestaties, betrouwbaarheid, robuustheid en gebruiksvriendelijkheid. De technische geavanceerdheid van de ultrasone homogenisatietechnologie geeft de gebruikers van Hielscher apparatuur concurrentievoordelen, die hen tot marktleider in hun branche maken. Met het brede productassortiment van laboratorium- en bench-top homogenisatoren, pilot-systemen en full-industriële ultrasone homogenisatoren voor commerciële producties, heeft Hielscher het ideale ultrasone mengsysteem voor uw eisen. De verdeelaccessoires maken de ideale opstelling van de ultrasoon homogenisator mogelijk – die aansluiten bij individuele behoeften.
Vertel ons uw procesvereisten en specificaties – adviseren wij u graag de meest geschikte en efficiënte ultrasone homogenisator voor uw toepassing!

Hoog rendement met ultrasone homogenisatoren

Dankzij de buitengewone procesefficiëntie, redelijke investeringskosten, zeer hoge energie-efficiëntie en lage arbeids- en onderhoudskosten, concurreren Hielscher ultrasoon homogenisatoren beter dan conventionele homogenisatietechnieken en wordt een snelle RoI (Return on Investment) bereikt. Vaak is een ultrasoon homogenisator al binnen enkele maanden afgeschreven.

Ultrageluid met hoog vermogen voor industriële homogenisering

De amplitude is de belangrijkste procesparameter bij ultrageluidgedreven homogenisatieprocessen. Alle Hielscher ultrasoonapparaten maken een nauwkeurige regeling van de amplitude mogelijk. Afhankelijk van het procesdoel kan een lagere amplitude worden ingesteld voor mildere verwerkingscondities of wordt een hoge amplitude gekozen voor meer destructieve dispersieresultaten. Hielscher ultrasoonapparatuur’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar.

Weinig onderhoud nodig voor ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren zijn niet alleen gemakkelijk te reinigen, aangezien de sonotrode en de reactor de enige onderdelen zijn die nat zijn en in contact komen met het verwerkte materiaal. De sonotrode (ook ultrasone hoorn of sonde genoemd) en reactor zijn vervaardigd van respectievelijk titanium en roestvrij staal en hebben een zuivere geometrie zonder openingen of dode hoeken.
Het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is, is de ultrasone sonde, die zonder noemenswaardige onderbreking van de werking kan worden vervangen. De sonotrode van een ultrasone laboratoriummachine wordt in ongeveer 10 minuten vervangen, terwijl de vervanging van een sonotrode van een industriële ultrasone homogenisator ongeveer 30-45 minuten kan duren.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: