Homogeneizadores – Princípio de funcionamento, utilização e aumento de escala

Os homogeneizadores são um tipo de misturadores que aplicam forças mecânicas para misturar, emulsionar, dispersar e dissolver sistemas líquido-líquido e sólido-líquido. Dependendo do modelo de homogeneizador, utilizam-se cisalhamento rotacional, bocais ou ultrassons de alta potência para criar as forças necessárias para desintegrar e fragmentar partículas sólidas, bem como gotículas líquidas. Saiba mais sobre os homogeneizadores e as suas aplicações na investigação e na produção!

O que é um homogeneizador?

Um homogeneizador é um dispositivo pertencente a uma classe de equipamentos de mistura concebidos para fragmentar partículas, tanto sólidas como líquidas, de modo a obter uma mistura uniforme. Os homogeneizadores estão disponíveis como equipamentos laboratoriais, de bancada e industriais, utilizados em diversas aplicações na investigação e na indústria. As aplicações típicas dos homogeneizadores incluem a mistura e a desintegração de vários materiais, incluindo partículas, pigmentos, produtos químicos, plantas, alimentos, células e tecidos, entre outros.

Contacte-nos para saber mais sobre homogeneizadores, sonicação e como pode utilizar os nossos sonicadores no seu processo!

Panorâmica dos vários tipos de homogeneizadores

Estão disponíveis no mercado vários tipos de homogeneizadores para utilização na produção de bancada e na produção industrial em grande escala. No entanto, os misturadores de rotor/estator (coloidais), os homogeneizadores de alta pressão e os homogeneizadores ultrassónicos são os modelos mais utilizados.
Os misturadores de impulsor ou de lâminas possuem uma lâmina giratória que roda a alta velocidade no fundo do recipiente de mistura, combinando assim vários materiais numa mistura homogénea.
Como o nome já indica, um misturador de rotor/estator possui um rotor e um estator. O rotor é um veio metálico que roda a altas velocidades no interior do estator. O estator é a parte metálica que permanece imóvel. A rotação do rotor cria um efeito de sucção que faz passar o material sólido-líquido entre o estator e o rotor, onde os sólidos são reduzidos a partículas de menor tamanho.
O princípio de funcionamento do homogeneizador de alta pressão (HPH) baseia-se na utilização de uma bomba de alta pressão e de uma válvula (bocal, orifício), o que torna o equipamento grande, pesado e dispendioso. A suspensão processada é forçada a passar, a elevada velocidade de escoamento, através de um pequeno orifício, o que reduz o tamanho das partículas, uma vez que estas têm de ser suficientemente pequenas para atravessar a válvula. Os HPH são propensos a entupimentos, especialmente quando processam sólidos.
Os homogeneizadores ultrassónicos utilizam as forças de elevado cisalhamento geradas pela cavitação acústica, o que lhes confere várias vantagens em relação a outras técnicas de homogeneização. O princípio de funcionamento e os benefícios da homogeneização ultrassónica são apresentados abaixo.

Ultrassons de alta potência como força de homogeneização

Um homogeneizador ultrassónico utiliza vibrações ultrassónicas de alta intensidade e cavitação para criar forças de cisalhamento muito intensas, podendo, por isso, ser designado como um misturador de elevado cisalhamento e intensidade extrema. O segredo destas forças de elevado cisalhamento e intensidade extrema é a cavitação acústica, gerada por ondas ultrassónicas de alta potência. Um homogeneizador ultrassónico possui um gerador, que constitui a unidade de alimentação elétrica e de controlo, e um transdutor. O transdutor contém cerâmicas piezoelétricas. Estas cerâmicas piezoelétricas convertem a energia elétrica em oscilação, uma vez que os cristais piezoelétricos alteram o seu tamanho e a sua forma quando se aplica uma tensão. Quando a frequência do oscilador eletrónico é igual à frequência natural do quartzo piezoelétrico, ocorre ressonância. Em condições de ressonância, o quartzo produz ondas ultrassónicas longitudinais de grande amplitude.
As ondas ultrassónicas geradas são então acopladas ao meio de processamento através da sonda ultrassónica (sonotrodo / corneta). A amplitude na sonda ultrassónica determina a intensidade das ondas ultrassónicas transmitidas ao líquido ou à suspensão. As ondas ultrassónicas geram ciclos alternados de alta e baixa pressão em meios líquidos. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas de alta intensidade produzem pequenas bolhas de vácuo no líquido. Durante o ciclo de alta pressão, as pequenas bolhas de vácuo colapsam de forma destrutiva. Este fenómeno chama-se cavitação. A implosão das bolhas de cavitação pode também gerar jatos de líquido com uma velocidade elevada de até 280 m/s, resultando em forças de cisalhamento poderosas. As forças de cisalhamento fragmentam as partículas, provocam colisões entre partículas e rompem mecanicamente gotículas e células, promovendo simultaneamente uma transferência de massa altamente eficiente. Estas forças de cavitação produzem dispersões, emulsões e suspensões uniformes e homogéneas, sendo também conhecidas por promoverem reações químicas (a chamada sonoquímica).

A cavitação acústica (gerada por ultrassons de alta potência) cria condições localmente extremas, os chamados efeitos sonomecânicos e sonoquímicos. Devido a estes efeitos, a sonicação reduz o tamanho das partículas sólidas e líquidas e mistura-as numa formulação homogénea.

Vantagens da utilização de sonicadores como homogeneizadores

Os homogeneizadores ultrassónicos são superiores no que diz respeito à produção de suspensões e soluções sólido-líquido (as chamadas suspensões de sólidos) e líquido-líquido. Como os sonicadores utilizam o princípio de funcionamento da cavitação ultrassónica, o material deve estar húmido ou numa fase húmida, uma vez que a cavitação só ocorre em líquidos. Isto significa que um sonicador não seria muito eficiente na mistura de um pó seco, mas, assim que o pó é molhado, a sonicação é o método mais eficiente para a mistura. Os homogeneizadores ultrassónicos são bem conhecidos pela sua capacidade de misturar, combinar e dispersar de forma fiável até mesmo pastas e materiais altamente viscosos. As forças extraordinariamente intensas causadas pela implosão das bolhas de cavitação criam não só forças de elevado cisalhamento muito poderosas, mas também temperaturas e pressões elevadas localmente confinadas, bem como os respetivos diferenciais. Esta combinação de forças físicas fragmenta as partículas até tamanhos muito inferiores aos obtidos com um homogeneizador convencional. Por isso, os homogeneizadores ultrassónicos são o equipamento preferido para a produção fiável de emulsões e dispersões de dimensão nanométrica.

Aplicações dos homogeneizadores ultrassónicos

Os homogeneizadores ultrassónicos são amplamente utilizados em instalações laboratoriais e industriais para homogeneizar suspensões sólido-líquido e líquido-líquido, reduzir o tamanho das partículas, desintegrar e extrair material biológico, intensificar reações químicas e dissolver compostos solúveis.

Emulsificação ultrassónica

A emulsificação é o processo de mistura de dois ou mais líquidos imiscíveis para preparar uma mistura estável ou semiestável. Em geral, estes dois líquidos consistem numa fase oleosa e numa fase aquosa (água). Para estabilizar a mistura das diferentes fases líquidas, adiciona-se um emulsionante (tensioativo / cotensioativo). O tamanho das gotículas de uma emulsão desempenha um papel crucial na funcionalidade e na estabilidade da emulsão. Como os ultrassons de potência criam forças sonomecânicas que fragmentam as gotículas e as reduzem a gotículas minúsculas, a sonicação é um método muito popular para a produção de microemulsões e nanoemulsões. Os homogeneizadores ultrassónicos são uma ferramenta fiável para a produção de emulsões O/W e W/O, emulsões inversas, emulsões duplas (O/W/O, W/O/W), miniemulsões e emulsões de Pickering. Graças a esta flexibilidade e à capacidade de emulsificação fiável, os homogeneizadores ultrassónicos (por vezes também designados emulsionadores ultrassónicos quando utilizados para emulsificação) são utilizados, por exemplo, nas indústrias química, alimentar, farmacêutica e dos combustíveis para produzir emulsões estáveis a longo prazo.
Clique nas seguintes ligações para saber mais sobre nanoemulsões e emulsões de Pickering!

Dispersão ultrassónica

Os homogeneizadores ultrassónicos são muito eficazes quando é necessário reduzir de forma fiável o tamanho de aglomerados de partículas, agregados e até partículas primárias. A vantagem dos homogeneizadores ultrassónicos é a sua capacidade de moer partículas até tamanhos menores e mais uniformes, quer o resultado pretendido do processo sejam micropartículas ou nanopartículas. As forças de cisalhamento de cavitação e os fluxos de líquido aceleram as partículas, fazendo com que colidam umas com as outras. Isto é conhecido como colisão entre partículas. As próprias partículas atuam como meio de moagem, o que evita a contaminação por esferas de moagem e o subsequente processo de separação, necessário quando se utilizam moinhos de esferas convencionais. Como as partículas chocam entre si a velocidades muito elevadas, de até 280m/sec, ficam sujeitas a forças extraordinariamente elevadas, pelo que se fragmentam em frações minúsculas. O atrito e a erosão conferem a esses fragmentos de partículas uma superfície polida e uma forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisões entre partículas confere à homogeneização e à dispersão ultrassónicas uma vantagem, permitindo obter suspensões e dispersões coloidais altamente homogéneas!
A sequência de imagens abaixo mostra as forças de cavitação dos ultrassons sobre flocos de grafite.

Uma sequência de imagens captadas a alta velocidade (de a a f) que ilustra a esfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um sonicador de 200W com sonotrodo de 3-mm. As setas mostram o local de separação (esfoliação), com bolhas de cavitação a penetrar na fissura.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersão e homogeneização de nanomateriais

Tanto para emulsões como para dispersões, a preparação de misturas de dimensão nanométrica é uma tarefa exigente. A maioria das técnicas convencionais de homogeneização e mistura, como os misturadores de lâminas, os moinhos de esferas, os homogeneizadores de alta pressão e outros misturadores, consegue produzir partículas de dimensão micrométrica, mas não consegue reduzir de forma fiável as gotículas e os sólidos a dimensões nanométricas. Isto deve-se sobretudo a uma intensidade insuficiente. Por exemplo, os misturadores de lâminas não fornecem cisalhamento suficiente para fragmentar as partículas até dimensões nanométricas. Os moinhos de esferas, outro tipo de homogeneizador, não conseguem moer uniformemente os sólidos até um tamanho de partícula inferior ao das próprias esferas (meios de moagem). As esferas de moagem convencionais têm um tamanho médio entre 1 500 mm e 35 000 mm. Outro problema é a contaminação pelo desgaste do meio de moagem. Como os sonicadores fornecem forças de cisalhamento extraordinariamente elevadas, mas controláveis com precisão, a cavitação ultrassónica é a técnica preferida para a produção fiável de nanodispersões e nanoemulsões em instalações laboratoriais (I&D), piloto e industriais.

Aumento de escala dos processos de homogeneização ultrassónica

Ao aumentar a escala de um homogeneizador ultrassónico laboratorial para um sonicador piloto e de um sistema piloto para um homogeneizador ultrassónico de produção à escala industrial, o aumento de escala pode ser totalmente linear! Todos os parâmetros importantes do processo, como a amplitude, a pressão, a temperatura e o tempo de processamento, são mantidos constantes; apenas a área de superfície da sonda ultrassónica e o sonicador, enquanto acionador que fornece energia à sonda, são dimensionados para unidades maiores e mais potentes. A escalabilidade linear dos processos de homogeneização ultrassónica permite obter, na produção em grande escala, os mesmos resultados de alta qualidade que em instalações laboratoriais e piloto.

Encontre o homogeneizador ultrassónico mais adequado para o seu processo!

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro com longa experiência em homogeneizadores ultrassónicos. Todos os sonicadores Hielscher são concebidos, fabricados e testados na nossa sede na Alemanha antes de serem enviados aos nossos clientes em todo o mundo. Os homogeneizadores ultrassónicos Hielscher são dispositivos de alta qualidade caracterizados por um desempenho constantemente elevado, fiabilidade, robustez e facilidade de utilização. A sofisticação técnica da tecnologia de homogeneização ultrassónica proporciona aos utilizadores dos equipamentos Hielscher vantagens competitivas que os tornam líderes de mercado no seu setor. Com uma vasta gama de produtos, desde homogeneizadores laboratoriais e de bancada a sistemas piloto e homogeneizadores ultrassónicos totalmente industriais para produção comercial, a Hielscher tem o sistema de mistura ultrassónica ideal para os seus requisitos. A diversidade de acessórios permite obter a configuração ideal do homogeneizador ultrassónico – ajustada às necessidades individuais.
Diga-nos quais são os requisitos e as especificações do seu processo – teremos todo o gosto em recomendar o homogeneizador ultrassónico mais adequado e eficiente para a sua aplicação!

Elevada eficiência com homogeneizadores ultrassónicos

Graças à eficiência extraordinária do processo, aos custos de investimento razoáveis, à eficiência energética muito elevada e aos baixos custos de mão de obra e manutenção, os homogeneizadores ultrassónicos Hielscher superam as técnicas convencionais de homogeneização e proporcionam um rápido RoI (retorno do investimento). Frequentemente, um homogeneizador ultrassónico é amortizado em poucos meses.

Ultrassons de alta potência para homogeneização industrial

A amplitude é o parâmetro de processo mais importante nos processos de homogeneização por ultrassons. Todos os sonicadores Hielscher permitem controlar a amplitude com precisão. Dependendo do objetivo do processo, pode definir-se uma amplitude mais baixa para condições de processamento mais suaves ou escolher-se uma amplitude elevada para resultados de dispersão mais destrutivos. Os sonicadores industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes de até 200µm, em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

Necessidades de manutenção reduzidas dos homogeneizadores ultrassónicos

Os homogeneizadores ultrassónicos também são fáceis de limpar, uma vez que o sonotrodo e o reator são os únicos componentes molhados e em contacto com o material processado. O sonotrodo (também conhecido como corneta ou sonda ultrassónica) e o reator são fabricados em titânio e aço inoxidável, respetivamente, e têm geometrias limpas, sem orifícios nem zonas mortas.
A única peça sujeita a desgaste é a sonda ultrassónica, que pode ser substituída sem uma interrupção significativa da operação. O sonotrodo de um sonicador laboratorial é substituído em cerca de 10 min, enquanto a substituição de um sonotrodo de um homogeneizador ultrassónico industrial pode demorar cerca de 30–45 min.

Contacte-nos agora! A nossa equipa experiente terá todo o gosto em fornecer informações técnicas e recomendações relativas ao processo!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: