Homogenisatoren – werkingsprincipe, gebruik en opschaling

Homogenisatoren zijn een type mengapparaten die mechanische krachten toepassen om vloeistof-vloeistofsystemen en vast-vloeistofsystemen te mengen, te emulgeren, te dispergeren en op te lossen. Afhankelijk van het model homogenisator worden afschuiving door rotatie, spuitmonden of ultrageluid met hoog vermogen gebruikt om de krachten op te wekken die nodig zijn om zowel vaste deeltjes als vloeistofdruppels uiteen te laten vallen en te verkleinen. Lees meer over homogenisatoren en hun toepassingen in onderzoek en productie!

Wat is een homogenisator?

Een homogenisator behoort tot een klasse mengapparaten die ontworpen zijn om zowel vaste als vloeibare deeltjes te verkleinen tot een uniform mengsel. Homogenisatoren zijn verkrijgbaar als laboratoriumapparatuur, tafelmodellen en industriële apparatuur voor uiteenlopende toepassingen in onderzoek en industrie. Typische toepassingen van homogenisatoren zijn het mengen en uiteen laten vallen van diverse materialen, waaronder deeltjes, pigmenten, chemicaliën, planten, voedingsmiddelen, cellen en weefsels.

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

Overzicht van verschillende typen homogenisatoren

Verschillende typen homogenisatoren zijn commercieel verkrijgbaar voor productie met tafelmodellen en grootschalige industriële productie. Rotor-statormengers (colloïdmengers), hogedrukhomogenisatoren en ultrasone homogenisatoren zijn echter de meest gebruikte modellen.
Roerwerk- of bladmengers hebben een draaiend blad dat met hoge snelheid onder in het mengvat roteert en zo verschillende materialen tot een homogeen mengsel combineert.
Zoals de naam rotor-statormenger al aangeeft, heeft een rotor-statormenger een rotor en een stator. De rotor is een metalen as die met hoge snelheid binnen de stator draait. De stator is het metalen onderdeel dat stilstaat. De rotatie van de rotor creëert een zuigeffect dat het vast-vloeistofmateriaal tussen de stator en de rotor voert, waar de vaste stoffen tot een kleinere deeltjesgrootte worden gereduceerd.
Het werkingsprincipe van de hogedrukhomogenisator (HPH) is gebaseerd op het gebruik van een hogedrukpomp en een klep (spuitmond, opening), waardoor de apparatuur groot, zwaar en duur is. De te verwerken slurry wordt met hoge stroomsnelheid door een kleine opening geperst, wat de deeltjesgrootte verkleint doordat deeltjes een bepaalde kleine afmeting moeten hebben om door de klep te kunnen passeren. Vooral bij het verwerken van vaste stoffen zijn HPH’s gevoelig voor verstopping.
Ultrasone homogenisatoren gebruiken de sterke afschuifkrachten die door akoestische cavitatie worden opgewekt, wat hun verschillende voordelen biedt ten opzichte van andere homogenisatietechnieken. Het werkingsprincipe en de voordelen van ultrasone homogenisatie worden hieronder beschreven.

Ultrageluid met hoog vermogen als homogeniserende kracht

Een ultrasone homogenisator gebruikt ultrasone trillingen met hoge intensiteit en cavitatie om zeer intense afschuifkrachten op te wekken en kan daarom een menger met superintense afschuiving worden genoemd. Het geheim achter de superintense afschuifkrachten is akoestische cavitatie, die wordt opgewekt door ultrasone golven met hoog vermogen. Een ultrasone homogenisator heeft een generator, die als voeding en regeleenheid dient, en een transducer. De transducer bevat piëzo-elektrische keramiek. Deze piëzo-elektrische keramiek zet elektrische energie om in trillingen, doordat de piëzo-elektrische kristallen van grootte en vorm veranderen wanneer er spanning wordt aangelegd. Wanneer de frequentie van de elektronische oscillator gelijk is aan de eigenfrequentie van het piëzo-elektrische kwarts, treedt resonantie op. Onder resonantieomstandigheden produceert het kwarts longitudinale ultrasone golven met een grote amplitude.
De opgewekte ultrasone golven worden vervolgens via de ultrasone sonde (sonotrode / hoorn) in het procesmedium gekoppeld. De amplitude aan de ultrasone sonde bepaalt de intensiteit van de ultrasone golven die in de vloeistof of slurry worden overgedragen. De ultrasone golven genereren afwisselend hogedruk- en lagedrukcycli in vloeibare media. Tijdens de lagedrukcyclus produceren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen in de vloeistof. Tijdens de hogedrukcyclus storten deze kleine vacuümbellen destructief in. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. De implosie van cavitatiebellen kan ook vloeistofstralen met een hoge snelheid van maximaal 280 m/s genereren, wat krachtige afschuifkrachten oplevert. De afschuifkrachten breken de deeltjes, veroorzaken botsingen tussen deeltjes en breken druppels en cellen mechanisch open, terwijl ze tegelijkertijd een zeer efficiënte massaoverdracht bevorderen. Deze cavitatiekrachten produceren uniforme en homogene dispersies, emulsies en suspensies en staan er ook om bekend chemische reacties te bevorderen (de zogenoemde sonochemie).

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

Voordelen van het gebruik van sonicatoren als homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren zijn superieur als het gaat om de productie van vast-vloeistofsuspensies en -oplossingen (zogenoemde slurries) en vloeistof-vloeistofsuspensies en -oplossingen. Omdat sonicatoren 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 sonicator niet erg efficiënt zou zijn bij het mengen van een droog poeder, maar zodra het poeder wordt bevochtigd, is sonicatie de meest efficiënte mengmethode. Ultrasone homogenisatoren staan erom bekend zelfs pasta’s en zeer viskeuze materialen betrouwbaar te mengen en te dispergeren. De buitengewoon intense krachten die door de implosie van cavitatiebellen ontstaan, creëren niet alleen zeer krachtige afschuifkrachten, maar ook plaatselijk begrensde hoge temperaturen en drukken, evenals de bijbehorende temperatuur- en drukverschillen. Deze combinatie van fysieke krachten verkleint deeltjes tot veel kleinere afmetingen dan een conventionele homogenisator. Daarom zijn ultrasone homogenisatoren de voorkeursapparatuur voor de betrouwbare productie van emulsies en dispersies op nanoschaal.

Toepassingen van ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren worden veel gebruikt in laboratoria en industriële faciliteiten om vast-vloeistofsuspensies en vloeistof-vloeistofsuspensies te homogeniseren, deeltjes te verkleinen, biologisch materiaal te ontsluiten en te extraheren, chemische reacties te intensiveren en oplosbare verbindingen op te lossen.

Ultrasone emulgering

Emulgering is het proces waarbij twee of meer niet-mengbare vloeistoffen worden gemengd om een stabiel of semistabiel mengsel te bereiden. 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 (oppervlakteactieve stof / co-oppervlakteactieve stof) toegevoegd. De druppelgrootte van een emulsie speelt een cruciale rol bij de functionaliteit en stabiliteit van een emulsie. Omdat ultrageluid met hoog vermogen sonomechanische krachten creëert die druppels opbreken en verkleinen tot zeer kleine 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, inverse emulsies, dubbele emulsies (O/W/O, W/O/W), mini-emulsies en Pickering-emulsies. Dankzij deze flexibiliteit en het betrouwbare emulgerende vermogen worden ultrasone homogenisatoren (soms ook ultrasone emulgatoren genoemd wanneer ze voor emulgering worden gebruikt) bijvoorbeeld ingezet in de chemische, voedingsmiddelen-, farmaceutische en brandstoffenindustrie om langdurig stabiele emulsies te produceren.
Klik op de volgende links voor meer informatie over nano-emulsies en Pickering-emulsies!

Ultrasone dispersie

Ultrasone homogenisatoren zijn zeer effectief wanneer deeltjesagglomeraten, aggregaten en zelfs primaire deeltjes betrouwbaar moeten worden verkleind. Het voordeel van ultrasone homogenisatoren is dat ze deeltjes kunnen vermalen tot kleinere en uniformere deeltjesgroottes, ongeacht of micro- of nanodeeltjes het beoogde procesresultaat zijn. Afschuifkrachten door cavitatie en vloeistofstromen versnellen deeltjes zodat ze met elkaar botsen. Dit wordt een botsing tussen deeltjes genoemd. De deeltjes zelf fungeren als maalmedium, waardoor verontreiniging door maalparels en het daaropvolgende scheidingsproces, dat nodig is bij het gebruik van conventionele parelmolens, worden vermeden. Omdat de deeltjes bij deze onderlinge botsingen met zeer hoge snelheden van maximaal 280m/sec op elkaar botsen, werken er buitengewoon grote krachten op de deeltjes, die daardoor in zeer kleine fragmenten uiteenvallen. Wrijving en erosie geven deze deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniforme vorm. De combinatie van afschuifkrachten en botsingen tussen deeltjes geeft ultrasone homogenisatie en dispersie hun voorsprong en levert zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies op!
De onderstaande beeldreeks toont de cavitatiekrachten van ultrageluid op grafietvlokken.

Een met een hogesnelheidscamera gemaakte beeldreeks (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met behulp van de UP200S, een sonicator van 200W, met een sonotrode van 3-mm. Pijlen geven de plaats van splitsing (exfoliatie) aan, waar cavitatiebellen de spleet binnendringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersie en homogenisatie van nanomaterialen

Zowel voor emulsies als voor dispersies is de bereiding van mengsels op nanoschaal een uitdagende taak. De meeste conventionele homogenisatie- en mengtechnieken, zoals bladmengers, parelmolens, hogedrukhomogenisatoren en andere mengers, kunnen deeltjes op microschaal produceren, maar kunnen druppels en vaste stoffen niet betrouwbaar tot nanoschaal verkleinen. Dit komt voornamelijk door onvoldoende intensiteit. Bladmengers leveren bijvoorbeeld onvoldoende afschuiving om deeltjes tot nanoschaal te verkleinen. Parelmolens, een ander type homogenisator, kunnen vaste stoffen niet uniform vermalen tot een fijnere deeltjesgrootte dan de parels (maalmedia) zelf. Conventionele maalparels hebben een gemiddelde grootte tussen 1.500 mm – 35.000 mm. Een ander probleem is de verontreiniging door slijtage van het maalmedium. Omdat sonicatoren buitengewoon sterke, maar nauwkeurig regelbare afschuifkrachten leveren, is ultrasone cavitatie de voorkeurstechniek voor de betrouwbare productie van nanodispersies en nano-emulsies in laboratoriumopstellingen (R&D), pilotopstellingen en industriële opstellingen.

Opschaling van ultrasone homogenisatieprocessen

Bij het opschalen van een ultrasone laboratoriumhomogenisator naar een pilotsonicator en van een pilotsysteem naar een ultrasone homogenisator voor productie op volledige schaal kan de opschaling volledig lineair worden uitgevoerd! Alle belangrijke procesparameters, zoals amplitude, druk, temperatuur en verwerkingstijd, worden constant gehouden; alleen het oppervlak van de ultrasone sonde en de sonicator die energie levert om de sonde aan te drijven, worden opgeschaald naar grotere, krachtigere eenheden. Dankzij de lineaire schaalbaarheid van ultrasone homogenisatieprocessen kunnen bij grootschalige productie dezelfde hoogwaardige resultaten worden verkregen als in laboratorium- en pilotopstellingen.

Vind de meest geschikte ultrasone homogenisator voor uw proces!

Hielscher Ultrasonics is uw partner met jarenlange ervaring op het gebied van ultrasone homogenisatoren. Alle sonicatoren van Hielscher worden ontworpen, vervaardigd en getest op ons hoofdkantoor in Duitsland voordat we ze naar onze klanten wereldwijd verzenden. De ultrasone homogenisatoren van Hielscher zijn hoogwaardige apparaten die worden gekenmerkt door constant hoge prestaties, betrouwbaarheid, robuustheid en gebruiksvriendelijkheid. De technische verfijning van de ultrasone homogenisatietechnologie geeft gebruikers van apparatuur van Hielscher concurrentievoordelen die hen tot marktleider in hun sector maken. Met het brede productassortiment, van laboratoriumhomogenisatoren en tafelmodellen tot pilotsystemen en volledig industriële ultrasone homogenisatoren voor commerciële productie, heeft Hielscher het ideale ultrasone mengsysteem voor uw eisen. De veelzijdige accessoires maken de ideale opstelling van de ultrasone homogenisator mogelijk – afgestemd op individuele behoeften.
Vertel ons uw proceseisen en specificaties – wij adviseren u graag over de meest geschikte en efficiënte ultrasone homogenisator voor uw toepassing!

Hoge efficiëntie met ultrasone homogenisatoren

Dankzij buitengewone procesefficiëntie, redelijke investeringskosten, zeer hoge energie-efficiëntie en lage arbeids- en onderhoudskosten presteren de ultrasone homogenisatoren van Hielscher beter dan conventionele homogenisatietechnieken en zorgen ze voor een snel rendement op de investering (RoI, Return on Investment). Vaak is een ultrasone homogenisator binnen enkele maanden terugverdiend.

Ultrageluid met hoog vermogen voor industriële homogenisatie

De amplitude is de belangrijkste procesparameter in homogenisatieprocessen die door ultrageluid worden aangedreven. Alle sonicatoren van Hielscher maken nauwkeurige regeling van de amplitude mogelijk. Afhankelijk van het procesdoel kan een lagere amplitude worden ingesteld voor mildere verwerkingsomstandigheden of kan een hoge amplitude worden gekozen voor meer destructieve dispersieresultaten. De industriële sonicatoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar.

Geringe onderhoudsbehoefte van ultrasone homogenisatoren

Ultrasone homogenisatoren zijn ook eenvoudig te reinigen, aangezien de sonotrode en de reactor de enige componenten zijn die worden bevochtigd en met het verwerkte materiaal in contact komen. De sonotrode (ook bekend als ultrasone hoorn of sonde) en de reactor zijn vervaardigd uit respectievelijk titanium en roestvast staal en hebben eenvoudige geometrieën zonder openingen of dode hoeken.
Het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is, is de ultrasone sonde, die zonder aanzienlijke verstoring van de werking kan worden vervangen. De sonotrode van een laboratoriumsonicator wordt binnen circa 10 min vervangen, terwijl het vervangen van een sonotrode van een industriële ultrasone homogenisator circa 30–45 min kan duren.

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

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicatoren: