Homogenizatory – Zasada działania, zastosowanie i skalowanie
Homogenizatory są rodzajem mieszalników, które wykorzystują siły mechaniczne do mieszania, emulgowania, dyspergowania i rozpuszczania układów ciecz-ciecz i ciało stałe-ciecz. W zależności od modelu homogenizatora, ścinanie obrotowe, dysze lub ultradźwięki o dużej mocy są wykorzystywane do wytworzenia sił wymaganych do rozpadu i rozbicia cząstek stałych, a także kropelek cieczy. Dowiedz się więcej o homogenizatorach i ich zastosowaniach w badaniach i produkcji!
Co to jest homogenizator?
Homogenizator to klasa urządzeń mieszających, które zostały zaprojektowane do rozbijania cząstek, zarówno stałych, jak i ciekłych, w jednolitą mieszaninę. Homogenizatory są dostępne jako urządzenia laboratoryjne, stacjonarne i przemysłowe wykorzystywane do różnych zastosowań w badaniach i przemyśle. Typowe zastosowania homogenizatorów obejmują mieszanie i dezintegrację różnych materiałów, w tym między innymi cząstek, pigmentów, chemikaliów, roślin, żywności, komórek, tkanek.
Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej o homogenizatorach, sonikacji i o tym, jak możesz wykorzystać nasze sonikatory w swoim procesie!
MultiSonoReactor MSR-4 to przemysłowy homogenizator liniowy z ultradźwiękami o mocy 16 000 W do wymagających zastosowań, takich jak nano-dyspersje i nano-emulsje.
Przegląd różnych typów homogenizatorów
Na rynku dostępne są różne typy homogenizatorów do użytku w produkcji laboratoryjnej i przemysłowej na dużą skalę. Jednak najczęściej stosowanymi modelami są mieszalniki rotor/stator (koloidalne), homogenizatory wysokociśnieniowe i homogenizatory ultradźwiękowe.
Mieszalniki wirnikowe lub łopatkowe mają wirujące ostrze, które obraca się z dużą prędkością na dnie naczynia mieszającego, łącząc w ten sposób różne materiały w jednorodną mieszaninę.
Jak sama nazwa wskazuje, mieszalnik wirnik/stator składa się z wirnika i stojana. Wirnik to metalowy wał, który obraca się z dużą prędkością wewnątrz stojana. Stojan to metalowa część, która pozostaje nieruchoma. Obrót wirnika powoduje efekt ssania, który przemieszcza materiał stały-ciecz między stojanem a wirnikiem, gdzie cząstki stałe są redukowane do mniejszych rozmiarów.
Zasada działania homogenizatora wysokociśnieniowego (HPH) opiera się na wykorzystaniu pompy wysokociśnieniowej i zaworu (dyszy, kryzy), co sprawia, że sprzęt jest duży, ciężki i drogi. Przetwarzana zawiesina jest wtłaczana z dużą prędkością przepływu przez małą kryzę, co zmniejsza rozmiar cząstek, ponieważ cząstki wymagają pewnego małego rozmiaru, aby przejść przez zawór. Zwłaszcza podczas przetwarzania ciał stałych zawory HPH są podatne na zatykanie.
Homogenizatory ultradźwiękowe wykorzystują duże siły ścinające generowane przez kawitację akustyczną, co daje im wiele zalet w porównaniu z innymi technikami homogenizacji. Poniżej przedstawiono zasadę działania i zalety homogenizacji ultradźwiękowej.
Ultradźwięki wysokiej mocy jako siła homogenizująca
Homogenizator ultradźwiękowy wykorzystuje wibracje ultradźwiękowe o wysokiej intensywności i kawitację do tworzenia bardzo intensywnych sił ścinających i dlatego można go nazwać super intensywnym mieszalnikiem o wysokim ścinaniu. Sekretem super intensywnych sił ścinających jest kawitacja akustyczna, która jest generowana przez fale ultradźwiękowe o dużej mocy. Homogenizator ultradźwiękowy ma generator, który jest zasilaczem i jednostką sterującą, oraz przetwornik. Przetwornik zawiera ceramikę piezoelektryczną. Ceramika piezoelektryczna przekształca energię elektryczną w drgania, ponieważ kryształy piezoelektryczne zmieniają swój rozmiar i kształt po przyłożeniu napięcia. Gdy częstotliwość oscylatora elektronicznego jest równa naturalnej częstotliwości piezoelektrycznego kwarcu, następuje rezonans. W warunkach rezonansu kwarc wytwarza podłużne fale ultradźwiękowe o dużej amplitudzie.
Wygenerowane fale ultradźwiękowe są następnie sprzęgane przez sondę ultradźwiękową (sonotroda / klakson) do medium procesowego. Amplituda na sondzie ultradźwiękowej określa intensywność fal ultradźwiękowych, które są przenoszone do cieczy lub zawiesiny. Fale ultradźwiękowe generują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia w ciekłych mediach. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności wytwarzają małe pęcherzyki próżniowe w cieczy. Podczas cyklu wysokiego ciśnienia małe pęcherzyki próżniowe zapadają się destrukcyjnie. Zjawisko to nazywane jest kawitacją. Implozja pęcherzyków kawitacyjnych może również generować strumienie cieczy o dużej prędkości do 280 m/s, powodując potężne siły ścinające. Siły ścinające rozbijają cząsteczki, powodują zderzenia międzycząsteczkowe i mechanicznie rozbijają kropelki i komórki, promując jednocześnie bardzo wydajny transfer masy. Siły kawitacyjne wytwarzają jednorodne i homogeniczne dyspersje, emulsje i zawiesiny, a także promują reakcje chemiczne (tzw. sonochemia).
Kawitacja akustyczna (generowana przez ultradźwięki o dużej mocy) tworzy lokalnie ekstremalne warunki, tak zwane efekty sonomechaniczne i sonochemiczne. Ze względu na te efekty, sonikacja redukuje cząstki stałe i ciekłe i łączy je w jednorodną formułę.
Kawitacja ultradźwiękowa w sondzie kaskadowej ultradźwiękowy UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) w szklanym reaktorze. Czerwone światło od dołu jest używane w celu poprawy widoczności kawitacji.
homogenizatorów ultradźwiękowych – Zalety
Homogenizatory ultradźwiękowe są lepsze, jeśli chodzi o produkcję zawiesin i roztworów ciało stałe-ciecz (tzw. zawiesin) oraz ciecz-ciecz. Ponieważ ultradźwięki wykorzystują zasadę działania kawitacji ultradźwiękowej, materiał powinien być mokry lub w fazie mokrej, ponieważ kawitacja występuje tylko w cieczy. Oznacza to, że ultradźwiękowiec nie byłby zbyt skuteczny w mieszaniu suchego proszku, ale gdy tylko proszek zostanie zwilżony, sonikacja jest najskuteczniejszą metodą mieszania. Homogenizatory ultradźwiękowe są dobrze znane z niezawodnego mieszania, mieszania i rozpraszania nawet past i materiałów o wysokiej lepkości. Niezwykle intensywne siły spowodowane implozją pęcherzyków kawitacyjnych tworzą nie tylko bardzo silne siły ścinające, ale także lokalnie ograniczone wysokie temperatury i ciśnienia, a także odpowiednie różnice. Ta kombinacja sił fizycznych rozbija cząstki do znacznie mniejszych rozmiarów niż konwencjonalny homogenizator. Dlatego homogenizatory ultradźwiękowe są preferowanym sprzętem do niezawodnej produkcji emulsji i dyspersji o rozmiarach nano.
- doskonała wydajność
- zdolny do dostarczania wysoce skoncentrowanej energii
- doskonałe wyniki w mikronach i nano
- dla emulsji i dyspersji o mikronowych i nano-rozmiarach
- Dowolna objętość od ml do ton/godz.
- wsadowe i inline
- dla pojedynczego przejścia i recyrkulacji
- Precyzyjna kontrola procesu
- prosta obsługa
- łatwe czyszczenie
- niskie koszty utrzymania
Zastosowania homogenizatorów ultradźwiękowych
Homogenizatory ultradźwiękowe są szeroko stosowane w laboratoriach i obiektach przemysłowych do homogenizacji zawiesin ciało stałe-ciecz i ciecz-ciecz, zmniejszania wielkości cząstek, zakłócania i ekstrakcji materiału biologicznego, intensyfikacji reakcji chemicznych i rozpuszczania rozpuszczalnych związków.
Emulsyfikacja ultradźwiękowa
Emulgowanie to proces mieszania dwóch lub więcej niemieszających się cieczy w celu przygotowania stabilnej lub półstałej mieszaniny. Ogólnie rzecz biorąc, te dwie ciecze składają się z fazy olejowej i wodnej (wodnej). Aby ustabilizować mieszaninę różnych faz ciekłych, dodaje się emulgator (środek powierzchniowo czynny / współśrodek powierzchniowo czynny). Wielkość kropli emulsji odgrywa kluczową rolę, jeśli chodzi o funkcjonalność i stabilność emulsji. Ponieważ ultradźwięki wytwarzają siły sonomechaniczne, które rozbijają kropelki i redukują je do drobnych kropelek, sonikacja jest bardzo popularną metodą produkcji mikro- i nano-emulsji. Homogenizatory ultradźwiękowe są niezawodnym narzędziem do produkcji emulsji O/W i W/O, emulsji odwrotnych, emulsji podwójnych (O/W/O, W/O/W), mini-emulsji, a także emulsji Pickeringa. W oparciu o tę elastyczność i niezawodną zdolność emulgowania, homogenizatory ultradźwiękowe (czasami nazywane również emulgatorami ultradźwiękowymi, gdy są używane do emulgowania) są stosowane np. w przemyśle chemicznym, spożywczym, farmaceutycznym i paliwowym do produkcji długoterminowych stabilnych emulsji.
Kliknij poniższe linki, aby dowiedzieć się więcej o nanoemulsje i Emulsje Pickeringa!
Dyspersja ultradźwiękowa
Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo skuteczne, gdy aglomeraty cząstek, agregaty, a nawet cząstki pierwotne muszą być niezawodnie zmniejszone. Zaletą homogenizatorów ultradźwiękowych jest ich zdolność do mielenia cząstek do mniejszych i bardziej jednolitych rozmiarów cząstek, niezależnie od tego, czy mikro- czy nanocząstki są ukierunkowane jako wynik procesu. Kawitacyjne siły ścinające i strumienie cieczy przyspieszają cząstki tak, że zderzają się ze sobą. Jest to znane jako kolizja międzycząsteczkowa. Same cząstki działają jako medium mielące, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia przez kulki mielące i późniejszego procesu separacji, który jest konieczny w przypadku stosowania konwencjonalnych młynów kulkowych. Ponieważ cząstki zderzają się ze sobą przy bardzo dużych prędkościach dochodzących do 280 m/s, na cząstki działają niezwykle duże siły, które powodują ich rozpad na drobne frakcje. Tarcie i erozja nadają tym fragmentom cząstek wypolerowaną powierzchnię i jednolity kształt. Połączenie sił ścinających i zderzeń międzycząsteczkowych daje homogenizacji ultradźwiękowej i dyspersji korzystną krawędź dostarczającą wysoce jednorodne zawiesiny koloidalne i dyspersje!
Poniższa sekwencja obrazów przedstawia siły kawitacyjne ultradźwięków na płatkach grafitu.
Sekwencja klatek z dużą prędkością (od a do f) ilustrująca sonomechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultrasonograf o mocy 200 W z sonotrodą 3 mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (złuszczania) z pęcherzykami kawitacyjnymi penetrującymi rozszczepienie.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Dyspersja i homogenizacja nanomateriałów
Zarówno w przypadku emulsji, jak i dyspersji, przygotowanie mieszanin o rozmiarach nano jest trudnym zadaniem. Większość konwencjonalnych technik homogenizacji i mieszania, takich jak mieszalniki łopatkowe, młyny perełkowe, homogenizatory wysokociśnieniowe i inne mieszalniki, są w stanie wytwarzać cząstki o wielkości mikronów, ale nie mogą niezawodnie rozbijać kropel i ciał stałych do rozmiarów nano. Wynika to głównie z niewystarczającej intensywności. Na przykład mieszalniki łopatkowe nie zapewniają wystarczającego ścinania do rozbijania cząstek do rozmiaru nano. Młyny perełkowe, inny rodzaj homogenizatora, nie są w stanie równomiernie zmielić cząstek stałych do rozmiaru drobniejszego niż same kulki (materiał mielący). Konwencjonalne kulki mielące mają średni rozmiar pomiędzy 1500 mm – 35 000 mm. Innym problemem jest zanieczyszczenie przez zużycie medium mielącego. Ponieważ ultradźwięki zapewniają niezwykle wysokie, ale precyzyjnie kontrolowane siły ścinające, kawitacja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką niezawodnej produkcji nano-dyspersji i nano-emulsji w laboratorium (R&D), pilotażowych i przemysłowych.
Dyspersje ultradźwiękowe wykazują jednolity rozkład wielkości cząstek z jednorodnie zredukowanymi cząstkami. Krzywe pokazują rozkład cząstek krzemionki przed ultradźwiękami (krzywa zielona) i po dyspersji ultradźwiękowej (krzywa czerwona).
Skalowanie procesów homogenizacji ultradźwiękowej
Podczas skalowania z laboratoryjnego homogenizatora ultradźwiękowego do pilotażowego ultradźwiękowca i z systemu pilotażowego do pełnowymiarowego homogenizatora ultradźwiękowego, skalowanie można zastosować całkowicie liniowo! Wszystkie ważne parametry procesu, takie jak amplituda, ciśnienie, temperatura i czas przetwarzania są utrzymywane na stałym poziomie, tylko powierzchnia sondy ultradźwiękowej i ultradźwiękowca jako mieszadła energetycznego sondy są skalowane do większych, mocniejszych jednostek. Liniowa skalowalność procesów homogenizacji ultradźwiękowej pozwala na uzyskanie w dużej produkcji takich samych wyników wysokiej jakości, jak w warunkach laboratoryjnych i pilotażowych.
Znajdź najbardziej odpowiedni homogenizator ultradźwiękowy dla swojego procesu!
Hielscher Ultrasonics jest wieloletnim doświadczonym partnerem w zakresie homogenizatorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki Hielscher są projektowane, produkowane i testowane w naszej siedzibie w Niemczech, zanim wyślemy je do naszych klientów na całym świecie. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher to wysokiej jakości urządzenia charakteryzujące się stałą wysoką wydajnością, niezawodnością, solidnością i łatwością obsługi. Zaawansowanie techniczne technologii homogenizacji ultradźwiękowej daje użytkownikom sprzętu Hielscher przewagę konkurencyjną, która czyni ich liderami rynku w swojej branży. Dzięki szerokiej gamie produktów, od homogenizatorów laboratoryjnych i stołowych, systemów pilotażowych i w pełni przemysłowych homogenizatorów ultradźwiękowych do produkcji komercyjnych, Hielscher ma idealny ultradźwiękowy system mieszania dla Twoich wymagań. Akcesoria kolektora pozwalają na idealną konfigurację homogenizatora ultradźwiękowego – dopasowanie do indywidualnych potrzeb.
Przedstaw nam swoje wymagania procesowe i specyfikacje – Chętnie polecimy najbardziej odpowiedni i wydajny homogenizator ultradźwiękowy do danego zastosowania!
Wysoka wydajność przy użyciu homogenizatorów ultradźwiękowych
Ze względu na niezwykłą wydajność procesu, rozsądne koszty inwestycji, bardzo wysoką efektywność energetyczną oraz niskie koszty pracy i konserwacji, homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher przewyższają konwencjonalne techniki homogenizacji i osiągają szybki zwrot z inwestycji. Często homogenizator ultradźwiękowy jest amortyzowany w ciągu kilku miesięcy.
Ultradźwięki wysokiej mocy do homogenizacji przemysłowej
Amplituda jest najważniejszym parametrem procesu w procesach homogenizacji napędzanych ultradźwiękami. Wszystkie ultrasonografy Hielscher pozwalają na precyzyjną kontrolę amplitudy. W zależności od celu procesu można ustawić niższą amplitudę dla łagodniejszych warunków przetwarzania lub wybrać wysoką amplitudę dla bardziej destrukcyjnych wyników dyspersji. Sonikatory przemysłowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Niskie wymagania konserwacyjne dla homogenizatorów ultradźwiękowych
Homogenizatory ultradźwiękowe są nie tylko łatwe w czyszczeniu, ponieważ sonotroda i reaktor są jedynymi elementami, które są mokre i mają kontakt z przetwarzanym materiałem. Sonotroda (znana również jako róg ultradźwiękowy lub sonda) i reaktor są wykonane odpowiednio z tytanu i stali nierdzewnej i mają czystą geometrię bez otworów lub martwych narożników.
Jedyną częścią podlegającą zużyciu jest sonda ultradźwiękowa, którą można wymienić bez znaczących zakłóceń w pracy. Sonotroda ultrasonografu laboratoryjnego jest wymieniana w ciągu ok. 10 minut, podczas gdy zmiana sonotrody przemysłowego homogenizatora ultradźwiękowego może trwać ok. 30-45 minut.
Skontaktuj się z nami już teraz! Nasz doświadczony zespół z przyjemnością udzieli informacji technicznych i zaleceń dotyczących procesów!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 0.3 do 60L | 0.6 do 12 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Często zadawane pytania dotyczące homogenizatorów
- Jaka jest zasada działania homogenizatora? Homogenizator przykłada siły ścinające do cieczy, zawiesin i szlamów. Ścinanie zmniejsza rozmiar cząstek mieszanin ciało stałe-ciecz i ciecz-ciecz oraz tworzy jednolite rozkłady wielkości cząstek. Homogenizatory mogą wytwarzać stabilne emulsje lub dyspersje.
- Jaka jest zasada procesu homogenizacji? Podstawowa zasada homogenizacji polega na zastosowaniu siły mechanicznej, takiej jak wibracje ultradźwiękowe i kawitacja, do niejednorodnej mieszaniny w celu rozbicia cząstek na jednolicie drobny rozmiar, uzyskując spójną i stabilną mieszaninę, która zapobiega rozdzielaniu się w czasie.
- Jaki jest główny cel homogenizacji? Głównym celem homogenizacji jest poprawa stabilności i konsystencji produktu poprzez zmniejszenie wielkości cząstek. Proces ten poprawia właściwości fizyczne mieszaniny, takie jak lepkość, tekstura i okres przydatności do spożycia, dzięki czemu ma kluczowe znaczenie w przetwórstwie żywności, farmaceutykach i kosmetykach.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowych homogenizatorach żywności! - Czym jest homogenizacja ultradźwiękowa? Homogenizacja ultradźwiękowa wykorzystuje fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do wywoływania kawitacji w ciekłym medium, co skutkuje intensywnymi siłami ścinającymi, które rozbijają cząstki na poziomie mikroskopowym. Metoda ta jest szczególnie skuteczna w przypadku rozbijania komórek, dyspersji nanocząstek i emulgowania.
- Czym jest sonikacja do homogenizacji? Sonikacja do homogenizacji polega na zastosowaniu energii ultradźwiękowej do próbek w celu uzyskania drobnego, jednolitego mieszania. Proces ten jest skuteczny w dyspergowaniu, emulgowaniu i zmniejszaniu wielkości cząstek w płynie, szeroko stosowanym zarówno w kontekście badawczym, jak i przemysłowym.
- Jakie są 2 rodzaje metod sonikacji? Dwa podstawowe typy metod sonikacji to sonikacja bezpośrednia i pośrednia. Bezpośrednia sonikacja polega na zanurzeniu sondy bezpośrednio w próbce, podczas gdy pośrednia sonikacja odbywa się w kąpieli, w której próbki są umieszczane w pojemniku zanurzonym w płynie przyjaznym dla sonikacji. Bezpośrednia sonikacja jest zazwyczaj bardziej intensywna i skuteczniejsza w homogenizacji niż sonikacja pośrednia.
Literatura / Referencje
- 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.