Homogenizatory – zasada działania, zastosowanie i skalowanie

Homogenizatory to rodzaj mieszalników, które wykorzystują siły mechaniczne do mieszania, emulgowania, dyspergowania i rozpuszczania układów ciecz–ciecz i ciało stałe–ciecz. W zależności od modelu homogenizatora do wytwarzania sił niezbędnych do dezintegracji i rozdrabniania cząstek stałych oraz kropli cieczy wykorzystuje się ścinanie wywołane ruchem obrotowym, dysze lub ultradźwięki dużej mocy. Dowiedz się więcej o homogenizatorach i ich zastosowaniach w badaniach i produkcji!

Czym jest homogenizator?

Homogenizator to urządzenie należące do klasy urządzeń mieszających, przeznaczone do rozdrabniania cząstek zarówno stałych, jak i ciekłych w celu uzyskania jednorodnej mieszaniny. Homogenizatory są dostępne jako urządzenia laboratoryjne, stołowe 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, substancji chemicznych, roślin, żywności, komórek i tkanek.

Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej o homogenizatorach, sonikacji i możliwościach wykorzystania naszych sonikatorów w Twoim procesie!

Przegląd różnych typów homogenizatorów

Na rynku dostępne są różne typy homogenizatorów do zastosowań w skali stołowej i w przemysłowej produkcji na dużą skalę. Najczęściej stosowanymi modelami są jednak mieszalniki rotor/stator (koloidalne), homogenizatory wysokociśnieniowe i homogenizatory ultradźwiękowe.
Mieszalniki wirnikowe lub łopatkowe mają obracającą się łopatkę, która wiruje z dużą prędkością na dnie zbiornika mieszającego, łącząc w ten sposób różne materiały w jednorodną mieszaninę.
Jak wskazuje sama nazwa mieszalnika rotor/stator, składa się on z rotora i statora. Rotor to metalowy wał, który obraca się z dużą prędkością wewnątrz statora. Stator jest metalowym elementem, który pozostaje nieruchomy. Obrót rotora wywołuje efekt zasysania, który przemieszcza materiał typu ciało stałe–ciecz pomiędzy statorem a rotorem, gdzie cząstki stałe są rozdrabniane do mniejszych rozmiarów.
Zasada działania homogenizatora wysokociśnieniowego (HPH) opiera się na wykorzystaniu pompy wysokociśnieniowej i zaworu (dyszy, otworu), przez co urządzenie jest duże, ciężkie i kosztowne. Przetwarzana zawiesina jest przetłaczana z dużą prędkością przepływu przez niewielki otwór, co zmniejsza rozmiar cząstek, ponieważ muszą one mieć odpowiednio mały rozmiar, aby przejść przez zawór. Homogenizatory HPH są podatne na zatykanie, zwłaszcza podczas przetwarzania ciał stałych.
Homogenizatory ultradźwiękowe wykorzystują duże siły ścinające generowane przez kawitację akustyczną, co zapewnia im szereg zalet w porównaniu z innymi technikami homogenizacji. Zasadę działania i korzyści homogenizacji ultradźwiękowej przedstawiono poniżej.

Ultradźwięki dużej mocy jako siła homogenizująca

Homogenizator ultradźwiękowy wykorzystuje drgania ultradźwiękowe o dużej intensywności i kawitację do wytwarzania bardzo silnych sił ścinających, dlatego można go określić jako mieszalnik o wyjątkowo intensywnym ścinaniu. Sekretem tych wyjątkowo intensywnych sił ścinających jest kawitacja akustyczna, generowana przez fale ultradźwiękowe dużej mocy. Homogenizator ultradźwiękowy ma generator, który pełni funkcję zasilacza i jednostki sterującej, oraz przetwornik. Przetwornik zawiera ceramikę piezoelektryczną. Ceramika ta przekształca energię elektryczną w drgania, ponieważ kryształy piezoelektryczne zmieniają rozmiar i kształt po przyłożeniu napięcia. Gdy częstotliwość oscylatora elektronicznego jest równa częstotliwości własnej kwarcu piezoelektrycznego, występuje rezonans. W warunkach rezonansu kwarc wytwarza podłużne fale ultradźwiękowe o dużej amplitudzie.
Wytworzone fale ultradźwiękowe są następnie sprzęgane z medium procesowym za pośrednictwem sondy ultradźwiękowej (sonotrody). Amplituda drgań sondy ultradźwiękowej określa intensywność fal ultradźwiękowych przekazywanych do cieczy lub zawiesiny. Fale ultradźwiękowe wywołują w mediach ciekłych naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o dużej intensywności wytwarzają w cieczy małe pęcherzyki próżniowe. Podczas cyklu wysokiego ciśnienia małe pęcherzyki próżniowe gwałtownie się zapadają. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Implozja pęcherzyków kawitacyjnych może również generować strugi cieczy o dużej prędkości, sięgającej 280 m/s, co skutkuje powstawaniem silnych sił ścinających. Siły ścinające rozdrabniają cząstki, powodują zderzenia między nimi oraz mechanicznie rozbijają krople i komórki, jednocześnie wspomagając bardzo wydajny transport masy. Te siły kawitacyjne wytwarzają równomierne i jednorodne dyspersje, emulsje i zawiesiny, a także, jak wiadomo, wspomagają reakcje chemiczne (tak zwaną sonochemię).

Kawitacja akustyczna (generowana przez ultradźwięki dużej mocy) wytwarza lokalnie ekstremalne warunki, tak zwane efekty sonomechaniczne i sonochemiczne. Dzięki tym efektom sonikacja zmniejsza rozmiar cząstek stałych i ciekłych oraz miesza je, tworząc jednorodną formulację.

Zalety stosowania sonikatorów jako homogenizatorów

Homogenizatory ultradźwiękowe przewyższają inne urządzenia pod względem wytwarzania zawiesin i roztworów typu ciało stałe–ciecz (tak zwanych szlamów) oraz ciecz–ciecz. Ponieważ sonikatory wykorzystują zasadę działania kawitacji ultradźwiękowej, materiał powinien być zwilżony lub znajdować się w fazie mokrej, gdyż kawitacja zachodzi tylko w cieczy. Oznacza to, że sonikator nie byłby zbyt wydajny podczas mieszania suchego proszku, ale gdy tylko proszek zostanie zwilżony, sonikacja jest najwydajniejszą metodą mieszania. Homogenizatory ultradźwiękowe są dobrze znane z niezawodnego mieszania, łączenia i dyspergowania nawet past oraz materiałów o dużej lepkości. Wyjątkowo intensywne oddziaływania wywołane implozją pęcherzyków kawitacyjnych wytwarzają nie tylko bardzo duże siły ścinające, lecz także lokalnie wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiadające im różnice temperatury i ciśnienia. To połączenie oddziaływań fizycznych rozdrabnia cząstki do znacznie mniejszych rozmiarów niż konwencjonalny homogenizator. Dlatego homogenizatory ultradźwiękowe są preferowanymi urządzeniami do niezawodnego wytwarzania emulsji i dyspersji o rozmiarach nanometrycznych.

Zastosowania homogenizatorów ultradźwiękowych

Homogenizatory ultradźwiękowe są szeroko stosowane w laboratoriach i zakładach przemysłowych do homogenizacji zawiesin typu ciało stałe–ciecz i ciecz–ciecz, zmniejszania rozmiaru cząstek, rozbijania i ekstrakcji materiału biologicznego, intensyfikacji reakcji chemicznych oraz rozpuszczania związków rozpuszczalnych.

Emulgowanie ultradźwiękowe

Emulgowanie to proces mieszania dwóch lub większej liczby niemieszających się cieczy w celu przygotowania stabilnej lub częściowo stabilnej mieszaniny. Zazwyczaj te dwie ciecze stanowią fazę olejową i fazę wodną. Aby ustabilizować mieszaninę różnych faz ciekłych, dodaje się emulgator (surfaktant / kosurfaktant). Rozmiar kropli emulsji odgrywa kluczową rolę w jej funkcjonalności i stabilności. Ponieważ ultradźwięki dużej mocy wytwarzają siły sonomechaniczne, które rozbijają krople i zmniejszają je do bardzo małych rozmiarów, sonikacja jest bardzo popularną metodą wytwarzania mikroemulsji i nanoemulsji. Homogenizatory ultradźwiękowe są niezawodnym narzędziem do wytwarzania emulsji O/W i W/O, emulsji odwrotnych, emulsji podwójnych (O/W/O, W/O/W), miniemulsji oraz emulsji Pickeringa. Dzięki tej wszechstronności i niezawodnej zdolności emulgowania homogenizatory ultradźwiękowe (czasami nazywane również emulgatorami ultradźwiękowymi, gdy są stosowane do emulgowania) wykorzystuje się na przykład w przemyśle chemicznym, spożywczym, farmaceutycznym i paliwowym do wytwarzania emulsji o długotrwałej stabilności.
Kliknij poniższe linki, aby dowiedzieć się więcej o nanoemulsjach i emulsjach Pickeringa!

Dyspergowanie ultradźwiękowe

Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo skuteczne, gdy konieczne jest niezawodne zmniejszenie rozmiaru aglomeratów, agregatów, a nawet cząstek pierwotnych. Zaletą homogenizatorów ultradźwiękowych jest ich zdolność do rozdrabniania cząstek do mniejszych i bardziej jednolitych rozmiarów, niezależnie od tego, czy celem procesu jest uzyskanie mikrocząstek, czy nanocząstek. Kawitacyjne siły ścinające i strugi cieczy przyspieszają cząstki, tak że zderzają się one ze sobą. Zjawisko to określa się jako zderzenia międzycząstkowe. Same cząstki pełnią funkcję medium mielącego, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia kulkami mielącymi oraz późniejszego procesu separacji, koniecznego przy stosowaniu konwencjonalnych młynów kulkowych. Ponieważ cząstki zderzają się ze sobą z bardzo dużymi prędkościami, sięgającymi 280m/sec, działają na nie wyjątkowo duże siły, wskutek czego rozpadają się na bardzo drobne fragmenty. Tarcie i erozja nadają tym fragmentom cząstek wygładzoną powierzchnię i jednolity kształt. Połączenie sił ścinających i zderzeń międzycząstkowych zapewnia homogenizacji i dyspergowaniu ultradźwiękowemu przewagę, umożliwiając uzyskiwanie wysoce jednorodnych zawiesin i dyspersji koloidalnych!
Poniższa sekwencja obrazów przedstawia działanie sił kawitacyjnych ultradźwięków na płatki grafitu.

Sekwencja klatek zarejestrowanych z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki wskazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji), do którego wnikają pęcherzyki kawitacyjne.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dyspergowanie i homogenizacja nanomateriałów

Zarówno w przypadku emulsji, jak i dyspersji przygotowanie mieszanin o rozmiarach nanometrycznych jest trudnym zadaniem. Większość konwencjonalnych technik homogenizacji i mieszania, takich jak mieszalniki łopatkowe, młyny kulkowe, homogenizatory wysokociśnieniowe i inne mieszalniki, umożliwia wytwarzanie cząstek o rozmiarach mikrometrycznych, ale nie pozwala niezawodnie rozdrabniać kropli i ciał stałych do rozmiarów nanometrycznych. Wynika to przede wszystkim z niewystarczającej intensywności. Na przykład mieszalniki łopatkowe nie zapewniają ścinania wystarczającego do rozdrabniania cząstek do rozmiarów nanometrycznych. Młyny kulkowe, będące innym rodzajem homogenizatora, nie mogą równomiernie rozdrabniać ciał stałych do rozmiarów cząstek mniejszych niż same kulki (media mielące). Konwencjonalne kulki mielące mają średni rozmiar w zakresie 1 500 mm – 35 000 mm. Innym problemem jest zanieczyszczenie wskutek zużycia medium mielącego. Ponieważ sonikatory zapewniają wyjątkowo duże, a jednocześnie precyzyjnie kontrolowane siły ścinające, kawitacja ultradźwiękowa jest preferowaną techniką niezawodnego wytwarzania nanodyspersji i nanoemulsji w instalacjach laboratoryjnych (R&D), pilotażowych i przemysłowych.

Skalowanie procesów homogenizacji ultradźwiękowej

Przy zwiększaniu skali z laboratoryjnego homogenizatora ultradźwiękowego do sonikatora pilotażowego oraz z systemu pilotażowego do homogenizatora ultradźwiękowego do produkcji na pełną skalę skalowanie może przebiegać całkowicie liniowo! Wszystkie istotne parametry procesu, takie jak amplituda, ciśnienie, temperatura i czas przetwarzania, pozostają stałe; jedynie powierzchnia sondy ultradźwiękowej i sonikator pełniący funkcję napędu dostarczającego energię sondzie są skalowane do większych jednostek o większej mocy. Liniowa skalowalność procesów homogenizacji ultradźwiękowej pozwala uzyskiwać w produkcji na dużą skalę wyniki o tej samej wysokiej jakości co w warunkach laboratoryjnych i pilotażowych.

Znajdź homogenizator ultradźwiękowy najlepiej dopasowany do Twojego procesu!

Hielscher Ultrasonics jest Twoim partnerem z wieloletnim doświadczeniem w dziedzinie homogenizatorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory Hielscher są projektowane, produkowane i testowane w naszej siedzibie w Niemczech, zanim wyślemy je do klientów na całym świecie. Homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher to urządzenia wysokiej jakości, charakteryzujące się stale wysoką wydajnością, niezawodnością, wytrzymałością i łatwością obsługi. Zaawansowanie techniczne technologii homogenizacji ultradźwiękowej zapewnia użytkownikom urządzeń Hielscher przewagę konkurencyjną, dzięki której stają się liderami rynku w swojej branży. Dzięki szerokiej gamie produktów, obejmującej homogenizatory laboratoryjne i stołowe, systemy pilotażowe oraz w pełni przemysłowe homogenizatory ultradźwiękowe do produkcji komercyjnej, Hielscher oferuje idealny system mieszania ultradźwiękowego odpowiadający Twoim wymaganiom. Różnorodne akcesoria umożliwiają idealną konfigurację homogenizatora ultradźwiękowego – dopasowaną do indywidualnych potrzeb.
Przedstaw nam wymagania i specyfikację swojego procesu – z przyjemnością polecimy Ci najbardziej odpowiedni i wydajny homogenizator ultradźwiękowy do Twojego zastosowania!

Wysoka wydajność dzięki homogenizatorom ultradźwiękowym

Dzięki wyjątkowej wydajności procesu, rozsądnym kosztom inwestycji, bardzo wysokiej efektywności energetycznej oraz niskim kosztom pracy i konserwacji homogenizatory ultradźwiękowe Hielscher przewyższają konwencjonalne techniki homogenizacji i zapewniają szybki RoI (zwrot z inwestycji). Często koszt homogenizatora ultradźwiękowego zwraca się w ciągu kilku miesięcy.

Ultradźwięki dużej mocy do homogenizacji przemysłowej

Amplituda jest najważniejszym parametrem procesu w homogenizacji wykorzystującej ultradźwięki. Wszystkie sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjną kontrolę amplitudy. W zależności od celu procesu można ustawić niższą amplitudę, aby uzyskać łagodniejsze warunki przetwarzania, lub wybrać wysoką amplitudę, aby osiągnąć silniejsze rozdrobnienie podczas dyspergowania. Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Praca z amplitudami do 200µm może być z łatwością prowadzona w sposób ciągły w trybie 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.

Niewielkie wymagania konserwacyjne homogenizatorów ultradźwiękowych

Homogenizatory ultradźwiękowe są również łatwe do czyszczenia, ponieważ sonotroda i reaktor to jedyne elementy zwilżane, które mają kontakt z przetwarzanym materiałem. Sonotroda (znana również jako sonda ultradźwiękowa) i reaktor są wykonane odpowiednio z tytanu i stali nierdzewnej oraz mają prostą geometrię bez otworów i martwych naroży.
Jedyną częścią podlegającą zużyciu jest sonda ultradźwiękowa, którą można wymienić bez znacznego zakłócenia pracy. Sonotrodę sonikatora laboratoryjnego wymienia się w ciągu około 10 min, natomiast wymiana sonotrody przemysłowego homogenizatora ultradźwiękowego może trwać około 30–45 min.

Skontaktuj się z nami już teraz! Nasz doświadczony zespół z przyjemnością udzieli informacji technicznych i zaleceń dotyczących procesu!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: