homogenisatoren – Werkingsprincipe, gebruik en schaalvergroting

Homogenisatoren zijn een type mengers die mechanische krachten uitoefenen om vloeistof-vloeistof en vast-vloeistof systemen te mengen, emulgeren, dispergeren en oplossen. Afhankelijk van het model homogenisator worden roterende afschuiving, sproeiers of ultrageluid met hoog vermogen gebruikt om de vereiste krachten te creëren om vaste deeltjes en vloeistofdruppels uiteen te laten vallen en te breken. Meer informatie over homogenisatoren en hun toepassingen in onderzoek en productie!

Wat is een homogenisator?

Een homogenisator is een klasse mengapparaten die ontworpen is om deeltjes, zowel vaste als vloeibare, te breken tot een uniform mengsel. Homogenisatoren zijn verkrijgbaar als laboratorium-, tafelmodel- en industriële apparatuur voor verschillende toepassingen in onderzoek en industrie. Typische toepassingen van homogenisatoren zijn het mengen en desintegreren van verschillende materialen, waaronder deeltjes, pigmenten, chemicaliën, planten, voedsel, cellen en weefsels.

Neem contact met ons op voor meer informatie over homogenisatoren, sonificatie en hoe u onze sonicators voor uw proces kunt gebruiken!

Overzicht van verschillende soorten homogenisatoren

Er zijn verschillende typen homogenisatoren in de handel voor gebruik op werkbanken en industriële productie op grote schaal. De rotor/stator (colloïde) mengers, hogedrukhomogenisatoren en ultrasone homogenisatoren zijn echter de meest gebruikte modellen.
Waaier- of schoepenmengers hebben een draaiend mes dat op hoge snelheid op de bodem van het mengvat roteert en zo verschillende materialen combineert tot een homogeen mengsel.
Zoals de naam van de rotor/stator-menger al aangeeft, heeft een rotor/stator-menger een rotor- en een statorcomponent. De rotor is een metalen as die op 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 vaste-vloeibare materiaal tussen de stator en de rotor beweegt, waar de vaste deeltjes verkleind worden.
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 deeltjesgrootte afneemt omdat de deeltjes een bepaalde kleine afmeting moeten hebben om door de klep te kunnen. Vooral bij het verwerken van vaste stoffen zijn HPH's gevoelig voor verstopping.
Ultrasone homogenisatoren gebruiken de hoge schuifkrachten die worden opgewekt door akoestische cavitatie, waardoor ze verschillende voordelen hebben ten opzichte van andere homogenisatietechnieken. Het werkingsprincipe en de voordelen van ultrasoon homogeniseren worden hieronder beschreven.

Ultrageluid met hoog vermogen als homogeniserende kracht

Een ultrasone homogenisator maakt gebruik van ultrasone trillingen en cavitatie met hoge intensiteit om zeer intense schuifkrachten te creëren en kan daarom een super-intense high-shear mixer worden genoemd. Het geheim achter de superintensieve hoge schuifkrachten is akoestische cavitatie, die wordt opgewekt door ultrageluidsgolven met een hoog vermogen. Een ultrasone homogenisator heeft een generator, die de voeding en besturingseenheid is, en een transducer. De transducer bevat piëzo-elektrische keramiek. Deze piëzo-elektrische keramiek zet de elektrische energie om in oscillatie, omdat 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 het piëzo-elektrische kwarts, treedt resonantie op. Onder resonantieomstandigheden produceert het kwarts longitudinale ultrasone golven met een grote amplitude.
De gegenereerde ultrasone golven worden vervolgens via de ultrasone sonde (sonotrode / hoorn) in het procesmedium gekoppeld. De amplitude bij de ultrasone sonde bepaalt de intensiteit van de ultrasone golven die in de vloeistof of slurry worden uitgezonden. De ultrasone golven genereren afwisselend hogedruk- en lagedrukcycli in vloeibare media. Tijdens de lagedrukcyclus produceren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbelletjes in de vloeistof. Tijdens de hogedrukcyclus klappen de kleine vacuümbellen destructief uit elkaar. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Implosie van cavitatiebelletjes kan ook vloeistofstralen genereren met een hoge snelheid tot 280 m/s, wat resulteert in krachtige schuifkrachten. De schuifkrachten breken de deeltjes, veroorzaken botsingen tussen de deeltjes en verstoren 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 (gegenereerd door ultrageluid met een hoog vermogen) creëert lokaal extreme omstandigheden, de zogenaamde sonomechanische en sonochemische effecten. Door deze effecten reduceert sonicatie vaste en vloeibare deeltjes en mengt ze tot een homogene formulering.

ultrasone homogenisatoren – Voordelen

Ultrasone homogenisatoren zijn superieur als het gaat om de productie van vast-vloeibaar (zogenaamde slurries) en vloeibaar-vloeibare suspensies en oplossingen. Aangezien ultrasone machines 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 ultrasone machine niet erg efficiënt zou zijn in het mengen van een droog poeder, maar zodra het poeder nat wordt, is sonicatie de meest efficiënte methode om te mengen. Ultrasone homogenisatoren staan erom bekend dat ze zelfs pasta's en zeer viskeuze materialen betrouwbaar kunnen mengen, mengen en dispergeren. De buitengewoon intense krachten veroorzaakt door de implosie van cavitatiebellen creëert niet alleen zeer krachtige hoge schuifkrachten, maar ook lokaal begrensde hoge temperaturen en drukken en respectieve verschillen. Deze combinatie van fysieke krachten verstoort deeltjes tot veel kleinere afmetingen dan een conventionele homogenisator. Daarom zijn ultrasone homogenisatoren de apparatuur bij uitstek voor de betrouwbare productie van nano-emulsies en -dispersies.

Toepassingen van ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren worden veel gebruikt in laboratoria en industriële installaties om vast-vloeibare en vloeibaar-vloeibare suspensies te homogeniseren, de deeltjesgrootte te verkleinen, biologisch materiaal te verstoren en te extraheren, chemische reacties te intensiveren en oplosbare verbindingen op te lossen.

ultrasone emulsificatie

Emulgeren is het proces waarbij twee of meer niet-mengbare vloeistoffen worden gemengd om een stabiel of halfstabiel mengsel te maken. Over het algemeen bestaan deze twee vloeistoffen uit een oliefase en een waterfase. Om het mengsel van de verschillende vloeibare fasen te stabiliseren, wordt een emulgator (oppervlakteactieve 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 reduceren tot minuscule druppels, is sonicatie een zeer populaire methode voor de productie van micro- en nano-emulsies. Ultrasone homogenisatoren zijn een betrouwbaar hulpmiddel voor de productie van O/W- en W/O-emulsies, omgekeerde emulsies, dubbele emulsies (O/W/O, W/O/W), mini-emulsies en Pickering-emulsies. Op basis van deze flexibiliteit en het betrouwbare emulgeervermogen worden ultrasone homogenisatoren (soms ook ultrasone emulgatoren genoemd bij gebruik voor emulgering) bijvoorbeeld gebruikt in de chemische, voedingsmiddelen-, farmaceutische en brandstofindustrie om stabiele emulsies op lange termijn te produceren.
Klik op de volgende links voor meer informatie over Nano-emulsies en Pickering emulsies!

ultrasone dispersie

Ultrasone homogenisatoren zijn zeer efficiënt wanneer deeltjesagglomeraten, aggregaten en zelfs primaire deeltjes op betrouwbare wijze moeten worden verkleind. Het voordeel van ultrasone homogenisatoren is dat ze deeltjes kunnen verkleinen tot kleinere en meer uniforme deeltjesgrootten, of het nu gaat om micron- of nanodeeltjes. Cavitatieschuifkrachten en vloeistofstromen versnellen deeltjes zodat ze met elkaar in botsing komen. Dit staat bekend als botsing tussen deeltjes. De deeltjes zelf fungeren als maalmedium, waardoor verontreiniging door maalrupsen en het daaropvolgende scheidingsproces, dat nodig is bij het gebruik van conventionele parelmolens, vermeden wordt. Aangezien de deeltjes botsen door interdeeltjesbotsing met zeer hoge snelheden tot 280 m/sec, worden er buitengewoon grote krachten uitgeoefend op de deeltjes, die daardoor versplinteren in minuscule fracties. Wrijving en erosie geven deze deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniforme vorm. De combinatie van schuifkrachten en botsingen tussen de deeltjes geeft ultrasone homogenisatie en dispersie het voordeel dat het zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies oplevert!
De onderstaande afbeeldingenreeks toont de cavitatiekrachten van ultrageluid op grafietvlokken.

Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebellen die de splitsing binnendringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC DOOR-NC-ND 4.0)

Dispersie en homogenisering van nanomaterialen

Voor zowel emulsies als dispersies is het bereiden van mengsels van nanoformaat een uitdagende taak. De meeste conventionele homogenisatie- en mengtechnieken zoals messenmolens, parelmolens, hogedrukhomogenisatoren en andere mixers zijn in staat om deeltjes van micromaat te produceren, maar ze kunnen druppels en vaste stoffen niet betrouwbaar tot nanomaat afbreken. Dit is meestal te wijten aan onvoldoende intensiteit. Bijvoorbeeld, messenmixers geven niet genoeg afschuiving om deeltjes tot nano-grootte te breken. Parelmolens, een ander type homogenisator, kunnen vaste deeltjes niet uniform fijner malen dan de parels (maalmedia) zelf. Conventionele maalrupsen hebben een gemiddelde grootte tussen 1.500 mm – 35.000 mm. Een ander probleem is de vervuiling door slijtage van het maalmedium. Aangezien ultrasone apparaten buitengewoon hoge, maar nauwkeurig regelbare schuifkrachten leveren, is ultrasone cavitatie de voorkeurstechniek voor de betrouwbare productie van nano-dispersies en nano-emulsies in laboratoria (R&D), proefopstellingen en industriële opstellingen.

Schaalvergroting van ultrasone homogenisatieprocessen

Bij het opschalen van een laboratorium ultrasone homogenisator naar een pilot ultrasone homogenisator, en van een pilot systeem naar een full-scale productie ultrasone 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 om in grote productieomgevingen dezelfde resultaten van hoge kwaliteit te verkrijgen als in laboratoria en proefopstellingen.

Vind de meest geschikte ultrasone homogenisator voor uw proces!

Hielscher Ultrasonics is uw ervaren partner voor ultrasone homogenisatoren. Alle Hielscher ultrasone homogenisatoren worden ontworpen, geproduceerd en getest in ons hoofdkantoor in Duitsland voordat we ze wereldwijd naar onze klanten verzenden. Hielscher ultrasone homogenisatoren zijn apparaten van hoge kwaliteit die gekenmerkt worden door constante hoge prestaties, betrouwbaarheid, robuustheid en gebruiksvriendelijkheid. De technische verfijning van de ultrasone homogenisatietechnologie geeft de gebruikers van Hielscher apparatuur concurrentievoordelen, waardoor ze marktleider zijn in hun branche. Met het brede productassortiment van laboratorium- en bench-top homogenisatoren, pilot systemen en full-industrial ultrasone homogenisatoren voor commerciële producties, heeft Hielscher het ideale ultrasone mengsysteem voor uw eisen. De verdeelaccessoires zorgen voor de ideale opstelling van de ultrasone homogenisator – afstemmen op individuele behoeften.
Vertel ons uw procesvereisten en specificaties – Wij adviseren u graag over de meest geschikte en efficiënte ultrasone homogenisator voor uw toepassing!

Hoog rendement met behulp van ultrasone homogenisatoren

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

Ultrageluid met hoog vermogen voor industriële homogenisatie

De amplitude is de belangrijkste procesparameter in ultrasoon aangedreven homogenisatieprocessen. Met alle Hielscher ultrasone apparaten kan de amplitude nauwkeurig worden geregeld. Afhankelijk van het procesdoel kan een lagere amplitude worden ingesteld voor mildere verwerkingsomstandigheden of wordt een hoge amplitude gekozen voor meer destructieve dispersieresultaten. Hielscher industriële sonicators kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.

Weinig onderhoud voor ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren zijn niet alleen gemakkelijk schoon te maken omdat de sonotrode en de reactor de enige onderdelen zijn die nat zijn en in contact komen met het verwerkte materiaal. Sonotrode (ook bekend als ultrasone hoorn of sonde) en reactor zijn gemaakt van respectievelijk titanium en roestvrij staal en hebben een schone geometrie zonder openingen of dode hoeken.
Het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is, is de ultrasone sonde, die vervangen kan worden zonder de werking noemenswaardig te verstoren. De sonotrode van een ultrasoonapparaat in een laboratorium wordt binnen ongeveer 10 minuten vervangen, terwijl het vervangen van een sonotrode van een industriële ultrasone homogenisator ongeveer 30-45 minuten kan duren.

Neem nu contact met ons op! Ons goed ervaren team geeft u graag technische informatie en procesgerelateerde aanbevelingen!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: