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 do homogeneizador, são utilizados cisalhamento rotacional, bicos ou ultra-sons de alta potência para criar as forças necessárias para desintegrar e quebrar partículas sólidas, bem como gotículas de líquido. Saiba mais sobre os dispositivos homogeneizadores e as suas aplicações na investigação e produção!

O que é um homogeneizador?

Um homogeneizador é uma classe de dispositivos de mistura, concebidos para quebrar partículas, tanto sólidas como líquidas, numa mistura uniforme. Os homogeneizadores estão disponíveis como equipamento de laboratório, de bancada e industrial, utilizado para várias 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, tecidos, entre outros.

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Visão geral sobre vários tipos de homogeneizadores

Estão disponíveis comercialmente vários tipos de homogeneizadores para utilização em produção de bancada e industrial em grande escala. No entanto, os misturadores de rotor/estator (coloidal), os homogeneizadores de alta pressão e os homogeneizadores ultra-sónicos são os modelos mais utilizados.
Os misturadores de rotor ou de lâminas têm uma lâmina giratória, que roda a alta velocidade no fundo do recipiente de mistura, combinando assim vários materiais numa mistura homogénea.
Como o nome do misturador rotor/estator já indica, um misturador rotor/estator tem um rotor e um componente estator. O rotor é um eixo metálico que roda a alta velocidade dentro do estator. O estator é a parte metálica que permanece estacionária. A rotação do rotor cria um efeito de sucção que move o material sólido-líquido entre o estator e o rotor, onde os sólidos são reduzidos a partículas mais pequenas.
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 lama processada é forçada com alta velocidade de fluxo através de um pequeno orifício, o que reduz o tamanho das partículas, uma vez que as partículas necessitam de um determinado tamanho pequeno para passar pela válvula. Especialmente no processamento de sólidos, os HPHs são propensos a entupir.
Os homogeneizadores ultra-sónicos utilizam as forças de corte elevadas geradas pela cavitação acústica, o que lhes confere várias vantagens em relação a outras técnicas de homogeneização. O princípio de funcionamento e as vantagens da homogeneização por ultra-sons são apresentados abaixo.

Ultrassom de alta potência como força de homogeneização

Um homogeneizador ultrassónico utiliza vibrações ultra-sónicas de alta intensidade e cavitação para criar forças de cisalhamento muito intensas e pode, portanto, ser chamado de misturador de alto cisalhamento super-intenso. O segredo por trás das forças de cisalhamento superintensas é a cavitação acústica, que é gerada por ondas de ultrassom de alta potência. Um homogeneizador ultrassónico tem um gerador, que é a fonte de alimentação e a unidade de controlo, e um transdutor. O transdutor contém cerâmica piezo-eléctrica. Estas cerâmicas piezoeléctricas convertem a energia eléctrica em oscilação, uma vez que os cristais piezoeléctricos alteram o seu tamanho e forma quando é aplicada tensão. Quando a frequência do oscilador eletrónico é igual à frequência natural do quartzo piezoelétrico, ocorre a ressonância. Em condições de ressonância, o quartzo produz ondas ultra-sónicas longitudinais de grande amplitude.
As ondas de ultrassom geradas são então acopladas através da sonda de ultrassom (sonotrodo / corneta) no meio de processo. A amplitude na sonda de ultra-sons determina a intensidade das ondas de ultra-sons, que são transmitidas para o líquido ou lama. As ondas ultra-sónicas geram ciclos alternados de alta pressão e baixa pressão em meios líquidos. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas 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 é designado por cavitação. A implosão das bolhas de cavitação também pode gerar jactos de líquido com uma velocidade elevada de até 280 m/s, resultando em poderosas forças de cisalhamento. As forças de cisalhamento quebram as partículas, causam colisão entre partículas e rompem gotículas e células mecanicamente, promovendo ao mesmo tempo uma transferência de massa altamente eficiente. Estas forças cavitacionais produzem dispersões, emulsões e suspensões uniformes e homogéneas e são também conhecidas por promoverem reacções químicas (a chamada sonoquímica).

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

homogeneizadores ultra-sónicos – Vantagens

Os homogeneizadores ultra-sónicos são superiores quando se trata da produção de suspensões e soluções sólido-líquido (as chamadas lamas) e líquido-líquido. Uma vez que os ultrassons utilizam o princípio de funcionamento da cavitação ultrassónica, o material deve estar húmido ou numa fase húmida, uma vez que a cavitação só ocorre no líquido. Isto significa que um ultrassonizador não seria muito eficiente na mistura de um pó seco, mas assim que o pó fica molhado, a sonicação é o método mais eficiente para a mistura. Os homogeneizadores ultra-sónicos são bem conhecidos por misturarem, combinarem e dispersarem de forma fiável até mesmo pastas e materiais altamente viscosos. As forças extraordinariamente intensas causadas pela implosão de bolhas de cavitação criam não só forças de alto cisalhamento muito poderosas, mas também altas temperaturas e pressões localmente confinadas, bem como os respectivos diferenciais. Esta combinação de forças físicas desagrega as partículas em tamanhos muito mais pequenos do que num homogeneizador convencional. Por conseguinte, os homogeneizadores ultra-sónicos são o equipamento preferido para a produção fiável de emulsões e dispersões de tamanho nanométrico.

Aplicações dos homogeneizadores ultra-sónicos

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

Emulsificação por ultra-sons

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 são constituídos por uma fase oleosa e uma fase aquosa (água). Para estabilizar a mistura das diferentes fases líquidas, é adicionado um emulsionante (tensioativo / co-surfactante). O tamanho das gotículas de uma emulsão desempenha um papel crucial no que diz respeito à funcionalidade e estabilidade de uma emulsão. Uma vez que os ultra-sons de potência criam forças sonomecânicas, que quebram as gotículas e as reduzem a gotículas minúsculas, a sonicação é um método muito popular para a produção de micro e nano-emulsões. Os homogeneizadores ultra-sónicos são uma ferramenta fiável para a produção de emulsões O/W e W/O, emulsões inversas, emulsões duplas (O/W/O, W/O/W), mini-emulsões, bem como emulsões Pickering. Com base nesta flexibilidade e na capacidade de emulsificação fiável, os homogeneizadores de ultra-sons (por vezes também designados por emulsionantes de ultra-sons quando utilizados para emulsificação) são utilizados, por exemplo, na indústria química, alimentar, farmacêutica e de combustíveis para produzir emulsões estáveis a longo prazo.
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Dispersão ultra-sónica

Os homogeneizadores de ultra-sons são muito eficazes quando os aglomerados de partículas, os agregados e mesmo as partículas primárias têm de ser reduzidos de forma fiável em tamanho. A vantagem dos homogeneizadores ultra-sónicos é a sua capacidade de moer partículas até tamanhos de partículas mais pequenos e mais uniformes, quer se trate de partículas micrométricas ou nanométricas como resultado do processo. As forças de cisalhamento cavitacional e os fluxos de líquido aceleram as partículas de modo a que estas colidam umas com as outras. Isto é conhecido como colisão interpartículas. As próprias partículas actuam como meio de moagem, o que evita a contaminação por esferas de moagem e o subsequente processo de separação, que é necessário quando são utilizados moinhos de esferas convencionais. Uma vez que as partículas se chocam por colisão interpartículas a velocidades muito elevadas, até 280 m/s, aplicam-se forças extraordinariamente elevadas às partículas, que se fragmentam em fracções minúsculas. A fricção e a erosão conferem a esses fragmentos de partículas uma superfície polida e uma forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisão interpartículas dá à homogeneização e dispersão ultra-sónicas a vantagem de fornecer suspensões e dispersões coloidais altamente homogéneas!
A sequência de imagens abaixo mostra as forças cavitacionais dos ultra-sons em flocos de grafite.

Sequência de fotogramas de alta velocidade (de a a f) ilustrando a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um aparelho de ultra-sons de 200 W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação a penetrar na divisão.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersão e homogeneização de nanomateriais

Tanto para as emulsões como para as dispersões, a preparação de misturas de dimensão nanométrica é uma tarefa difícil. A maior parte das técnicas convencionais de homogeneização e mistura, tais como misturadores de lâminas, moinhos de esferas, homogeneizadores de alta pressão e outros misturadores, são capazes de produzir partículas de tamanho micrónico, mas não conseguem quebrar de forma fiável gotículas e sólidos até ao tamanho nanométrico. Este facto deve-se principalmente a uma intensidade insuficiente. Por exemplo, os misturadores de lâminas não fornecem cisalhamento suficiente para quebrar as partículas até ao tamanho nanométrico. Os moinhos de pérolas, outro tipo de homogeneizador, não conseguem moer os sólidos uniformemente até um tamanho de partícula mais fino do que as próprias pérolas (meio de moagem). Os grânulos de moagem convencionais têm um tamanho médio entre 1,500 mm – 35.000 mm. Outro problema é a contaminação por desgaste do meio de moagem. Uma vez que os ultrassons fornecem forças de cisalhamento extraordinariamente elevadas, mas precisamente controláveis, a cavitação por ultrassons é a técnica preferida para a produção fiável de nano-dispersões e nano-emulsões em laboratório (R&D), instalações piloto e industriais.

Aumento de escala dos processos de homogeneização por ultra-sons

Ao aumentar a escala de um homogeneizador de ultra-sons de laboratório para um ultrasonicador piloto e de um sistema piloto para um homogeneizador de ultra-sons de produção em grande escala, o aumento de escala pode ser aplicado de forma completamente linear! Todos os parâmetros importantes do processo, tais como a amplitude, a pressão, a temperatura e o tempo de processamento são mantidos constantes, apenas a área de superfície da sonda de ultra-sons e o ultrassom como agitador energético da sonda são escalados para unidades maiores e mais potentes. A escalabilidade linear dos processos de homogeneização por ultra-sons permite obter em grande produção os mesmos resultados de alta qualidade que se obtêm em laboratório e em instalações piloto.

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Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro experiente de longa data para homogeneizadores de ultra-sons. Todos os ultra-sons Hielscher são concebidos, fabricados e testados na nossa sede na Alemanha antes de os enviarmos para os nossos clientes em todo o mundo. Os homogeneizadores ultra-sónicos Hielscher são dispositivos de alta qualidade caracterizados por um desempenho elevado constante, fiabilidade, robustez e facilidade de utilização. A sofisticação técnica da tecnologia de homogeneização por ultra-sons dá aos utilizadores do equipamento Hielscher vantagens competitivas, que os tornam líderes de mercado na sua indústria. Com uma vasta gama de produtos, desde homogeneizadores de laboratório e de bancada, sistemas piloto e homogeneizadores ultra-sónicos totalmente industriais para produções comerciais, a Hielscher tem o sistema de mistura ultra-sónica ideal para as suas necessidades. Os acessórios do coletor permitem a configuração ideal do homogeneizador ultrassónico – adaptando-se às necessidades individuais.
Diga-nos os seus requisitos e especificações de processo – teremos todo o prazer em recomendar-lhe o homogeneizador de ultra-sons mais adequado e eficiente para a sua aplicação!

Homogeneizadores ultra-sónicos de alta eficiência

Devido à extraordinária eficiência do processo, aos custos de investimento razoáveis, à eficiência energética muito elevada e aos baixos custos de mão de obra e manutenção, os homogeneizadores ultra-sónicos da Hielscher superam as técnicas de homogeneização convencionais e alcançam um rápido RoI (retorno do investimento). Muitas vezes, um homogeneizador ultrassónico é amortizado em poucos meses.

Ultrassom de alta potência para homogeneização industrial

A amplitude é o parâmetro de processo mais importante nos processos de homogeneização por ultra-sons. Todos os ultrasonicators Hielscher permitem o controle preciso sobre a amplitude. Dependendo do objetivo do processo, uma amplitude mais baixa pode ser definida para condições de processamento mais suaves ou uma amplitude elevada é escolhida para resultados de dispersão mais destrutivos. Os sonicadores industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.

Baixos requisitos de manutenção para homogeneizadores ultra-sónicos

Os homogeneizadores ultra-sónicos não são apenas fáceis de limpar, uma vez que o sonotrodo e o reator são os únicos componentes que são partes molhadas e que entram em contacto com o material processado. O sonotrodo (também conhecido como sonda ou corno ultrassónico) e o reator são feitos de titânio e aço inoxidável, respetivamente, e têm geometrias limpas sem orifícios ou cantos mortos.
A única parte que está sujeita a desgaste é a sonda ultra-sónica, que pode ser substituída sem perturbar significativamente a operação. O sonotrodo de um ultrassom de laboratório é substituído em cerca de 10 minutos, enquanto a substituição de um sonotrodo de um homogeneizador ultrassónico industrial pode demorar cerca de 30-45 minutos.

Contacte-nos agora! A nossa equipa experiente terá todo o prazer em fornecer informações técnicas e recomendações relacionadas com o processo!

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: