Homogeneizadores – Princípio de trabalho, uso e scale-up

Homogeneizadores são um tipo de misturadores, que aplicam forças mecânicas para misturar, emulsionar, dispersar e dissolver sistemas líquido-líquido e líquido sólido. Dependendo da tesoura rotacional do modelo homogeneizador, os bicos ou o ultrassom de alta potência são usados para criar as forças necessárias para se desintegrar e quebrar partículas sólidas, bem como gotículas líquidas. Saiba mais sobre dispositivos homogeneizadores e suas aplicações em pesquisa e produção!

O que é um Homogeneizador?

Um homogeneizador é uma classe de dispositivos de mistura, que é projetado para quebrar partículas, sólidas e líquidas, em uma mistura uniforme. Os homogeneizadores estão disponíveis como equipamentos laboratoriais, de bancada e industriais utilizados para diversas aplicações em pesquisa e indústria. A aplicação típica do homogeneizador inclui a mistura e desintegração de diversos materiais, incluindo partículas, pigmentos, produtos químicos, plantas, alimentos, células, tecidos, entre outros.

Visão geral sobre vários tipos de homogeneizador

Vários tipos de homogeneizadores estão disponíveis comercialmente para uso na produção de bancada e industrial em larga escala. No entanto, os misturadores rotor/estertero (coloóide), homogeneizadores de alta pressão e homogeneizadores ultrassônicos são os modelos mais utilizados.
Misturadores de impulso ou lâmina ter uma lâmina giratória, que gira em alta velocidade na parte inferior do vaso de mistura, combinando assim vários materiais em uma mistura homogênea.
Como o nome do misturador rotor/estante já implica, um misturador de rotor/estante tem um rotor e um componente estator. O rotor é um eixo metálico que gira em altas velocidades 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 tamanho de partícula menor.
O princípio de trabalho do Homogeneizador de alta pressão (HPH) baseia-se no uso de uma bomba de alta pressão e de uma válvula (bico, orifício), o que torna o equipamento grande, pesado e caro. O chorume processado é forçado com alta velocidade de fluxo através de um pequeno orifício, que reduz o tamanho das partículas, pois as partículas requerem um certo tamanho pequeno para passar pela válvula. Especialmente quando processam sólidos, os HPHs são propensos a entupir.
ultra-som Homogeneizadores usar as forças de alta tesoura geradas pela cavitação acústica, o que lhes dá várias vantagens sobre outras técnicas de homogeneização. O princípio de trabalho e os benefícios da homogeneização ultrassônica são apresentados abaixo.

Ultrassom de alta potência como força homogeneizadora

Um homogeneizador ultrassônico usa vibrações ultrassônicas de alta intensidade e cavitação para criar forças de cisalhamento muito intensas e pode, portanto, ser chamado de misturador de alta cisalhamento super intenso. O segredo por trás das forças super intensas de alta tesoura é a cavitação acústica, que é gerada por ondas de ultrassom de alta potência. Um homogeneizador ultrassônico tem um gerador, que é a unidade de alimentação e controle, e um transdutor. O transdutor contém cerâmicas piezo-elétricas. Estas cerâmicas piezo-elétricas convertem a energia elétrica em oscilação, uma vez que os cristais piezoelétricos mudam seu tamanho e forma quando a tensão é aplicada. Quando a frequência do oscilador eletrônico é igual à frequência natural do quartzo piezoelétrico, ocorre ressonância. Em condições de ressonância, o quartzo produz ondas ultrassônicas longitudinais de grande amplitude.
As ondas de ultrassom geradas são então acoplada através da sonda ultrassônica (sonotrode / chifre) no meio do processo. A amplitude na sonda ultrassônica determina a intensidade das ondas de ultrassom, que são transmitidas para o líquido ou chorume. As ondas ultrassônicas geram ciclos alternados de alta pressão e baixa pressão na mídia líquida. Durante o ciclo de baixa pressão, ondas ultrassônicas de alta intensidade produzem pequenas bolhas de vácuo no líquido. Durante o ciclo de alta pressão, pequenas bolhas de vácuo entram em colapso destrutivamente. Este fenômeno é chamado cavitação. A implosão de bolhas de cavitação também pode gerar jatos líquidos com uma alta velocidade de até 280 m/s, resultando em poderosas forças de corte. As forças de tesoura quebram as partículas, causam colisão entre partículas e interrompem gotículas e células mecanicamente, promovendo ao mesmo tempo uma transferência de massa altamente eficiente. Essas forças cavitacionais produzem dispersões uniformes e homogêneas, emulsões e suspensões e também são conhecidas por promover reações químicas (a chamada sonoquímica).

A cavitação acústica (gerada por ultrassom de alta potência) cria condições localmente extremas, os chamados efeitos sonoecânicos e sonoquímicos. Devido a esses efeitos, a sônica reduz partículas sólidas e líquidas e as mistura em uma formulação homogênea.

ultra-som Homogeneizadores – vantagens

Homogeneizadores ultrassônicos são superiores, quando se trata da produção de líquido sólido (os chamados chorume) e suspensões e soluções líquido-líquidos. Como os ultrassonicadores utilizam o princípio de trabalho da cavitação ultrassônica, o material deve ser molhado ou em fase úmida, uma vez que a cavitação só ocorre em líquido. Isso significa que um ultrassonador não seria muito eficiente na mistura de um pó seco, mas assim que o pó é molhado, a sônica é o método mais eficiente para a mistura. Homogeneizadores ultrassônicos são bem conhecidos por misturar, misturar e dispersar de forma confiável até mesmo pastas e materiais altamente viscosos. As forças extraordinariamente intensas causadas pela implosão das bolhas de cavitação criam não apenas forças de alta tesoura muito poderosas, mas também as altas temperaturas e pressões localmente confinados, bem como os respectivos diferenciais. Estas combinações de forças físicas interrompem partículas para tamanhos muito menores do que um homogeneizador convencional. Portanto, homogeneizadores ultrassônicos são os equipamentos preferidos para a produção confiável de emulsões e dispersões de nano-tamanhos.

Aplicações de Homogeneizadores Ultrassônicos

Homogeneizadores ultrassônicos são amplamente utilizados em instalações laboratoriais e industriais para homogeneizar suspensões líquidos e líquidos sólidos, reduzir o tamanho das partículas, interromper e extrair material biológico, intensificar reações químicas e dissolver compostos solúveis.

Ultrasonic Emulsificação

Emulsificação é o processo de mistura de dois ou mais líquidos imiscíveis para preparar uma mistura estável ou semitável. Em geral, esses dois líquidos consistem em uma fase de óleo e uma fase aquosa (água). Para estabilizar a mistura das diferentes fases líquidas, um emulsificador (surfactante/co-surfactante) é adicionado. O tamanho da gota de uma emulsão desempenha um papel crucial quando se trata da funcionalidade e estabilidade de uma emulsão. Uma vez que o ultrassom de energia cria forças sonomecânicas, que quebram gotículas e as reduzem a gotículas minúsculas, a sônica é um método muito popular para a produção de micron e nano-emulsões. Homogeneizadores ultrassônicos são uma ferramenta confiável para a produção de emulsões de O/W e W/O, emulsões inversas, emulsões duplas (O/W/O, W/O/W), mini-emulsões, bem como emulsões de pickering. Com base nessa flexibilidade e na capacidade de emulsionamento confiável, homogeneizadores ultrassônicos (às vezes também chamados de emulsificantes ultrassônicos quando usados para emulsificação) são usados, por exemplo, na indústria química, alimentícia, farmacêutica e de combustível para produzir emulsões estáveis a longo prazo.
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Ultrasonic dispersão

Homogeneizantes ultrassônicos são muito eficazes quando aglomerados de partículas, agregados e até partículas primárias devem ser reduzidas de forma confiável em tamanho. A vantagem dos homogeneizadores ultrassônicos é sua capacidade de moer partículas até tamanhos de partículas menores e mais uniformes, sejam micron ou nanopartículas como resultado do processo. Forças de tesoura cavitacional e fluxos líquidos aceleram partículas para que colidam entre si. Isso é conhecido como colisão entre partículas. As partículas em si atuam como meio de moagem, o que evita a contaminação por meio da moagem de contas e do processo de separação subsequente, que é necessário quando as usinas convencionais de contas são usadas. Uma vez que as partículas se chocam por colisão entre partículas a velocidades muito altas de até 280m/seg, forças extraordinariamente altas se aplicam às partículas, que, portanto, se quebram em frações minúsculas. Atrito e erosão dão a esses fragmentos de partículas uma superfície polida e forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisão interpartículas dão à homogeneização e dispersão ultrassônicas a borda vantajosa que oferece suspensões coloidais altamente homogêneas e dispersões!
A sequência de imagens abaixo mostra as forças cavitacionais do ultrassom em flocos de grafite.

Uma sequência de alta velocidade (de a f) de quadros que ilustram a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite na água usando o UP200S, um ultrassônico de 200W com sonotrode de 3 mm. As setas mostram o lugar da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersão e Homogeneização de Nanomateriais

Para ambos, emulsões e dispersões, a preparação de misturas nano-dimensionadas é uma tarefa desafiadora. A maioria das técnicas convencionais de homogeneização e mistura, como misturadores de lâminas, moinhos de contas, homogeneizadores de alta pressão e outras misturadores são capazes de produzir partículas do tamanho de micron, mas não podem quebrar de forma confiável gotículas e sólidos até o tamanho de nano. Isso é principalmente devido à intensidade insuficiente. Por exemplo, misturadores de lâminas não fornecem tesoura suficiente para quebrar partículas em tamanho nano. As fábricas de contas, outro tipo de homogeneizador, não podem moer sólidos uniformemente para um tamanho de partícula mais fino do que as contas (mídia de moagem) em si. Contas de moagem convencionais têm um tamanho médio entre 1.500 mm – 35.000 mm. Outro problema é a contaminação pelo desgaste do meio de fresagem. Uma vez que os ultrassononicadores fornecem forças de cisalhamento extraordinariamente altas, mas precisamente controláveis, a cavitação de ultrassom é a técnica preferida para a produção confiável de nano-dispersão e nano-emulsões em laboratório (R&D), piloto e configurações industriais.

Scale-Up de Processos de Homogeneização Ultrassônica

Ao escalar de um homogeneizador ultrassônico de laboratório para um ultrassônico piloto, e de um sistema piloto para um homogeneizador ultrassônico de produção em larga escala, a escala pode ser aplicada completamente linear! Todos os parâmetros importantes do processo, como amplitude, pressão, temperatura e tempo de processamento são mantidos constantes, apenas a área de superfície da sonda ultrassônica e o ultrassônico como agitador energético da sonda são dimensionados para unidades maiores e mais poderosas. A escalabilidade linear dos processos de homogeneização ultrassônica permite obter em grande produção os mesmos resultados de alta qualidade que em ambientes de laboratório e piloto.

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Hielscher Ultrasonics é um parceiro experiente de longa data para homogeneizadores ultrassônicos. Todos os ultrassonicadores hielscher são projetados, fabricados e testados em nossa sede na Alemanha antes de enviá-los para nossos clientes em todo o mundo. Os homogeneizadores ultrassônicos hielscher são dispositivos de alta qualidade charrizados por constantes alta performance, confiabilidade, robustez e simpatia do usuário. A sofisticação técnica da tecnologia de homogeneização ultrassônica dá aos usuários dos equipamentos Hielscher vantagens competitivas, que os tornam líderes de mercado em seu setor. Com a ampla gama de produtos desde homogeneizadores de laboratório e bancada, sistemas piloto e homogeneizadores ultrassônicos industriais completos para produções comerciais, a Hielscher tem o sistema ideal de mistura ultrassônica para suas necessidades. Os acessórios múltiplos permitem a configuração ideal de homogeneizador ultrassônico – correspondendo às necessidades individuais.
Conte-nos seus requisitos e especificações de processo – recomendaremos com prazer o homogeneizador ultrassônico mais adequado e eficiente para sua aplicação!

Alta Eficiência com Homogeneizadores Ultrassônicos

Devido à extraordinária eficiência do processo, custos razoáveis de investimento, eficiência energética muito alta e baixos custos de mão-de-obra e manutenção, os homogeneizadores ultrassônicos hielscher superam as técnicas convencionais de homogeneização e alcançam um Rápido RoI (Return on Investment). Muitas vezes, um homogeneizador ultrassônico é amortizado dentro de alguns meses.

Ultrassom de alta potência para homogeneização industrial

A amplitude é o parâmetro de processo mais importante nos processos de homogeneização orientados por ultrassom. Todos os ultrassonicadores hielscher permitem o controle preciso sobre a amplitude. Dependendo da meta do processo, uma amplitude mais baixa pode ser definida para condições de processamento mais brandas ou uma alta amplitude é escolhida para resultados de dispersão mais destrutivos. Hielscher Ultrasonics’ processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis.

Requisitos de baixa manutenção para homogeneizadores ultrassônicos

Homogeneizadores ultrassônicos não só são fáceis de limpar, uma vez que o sonotrodo e o reator são os únicos componentes que são peças molhadas e entram em contato com o material processado. Sonotrode (também conhecido como chifre ultrassônico ou sonda) e reator são feitos de titânio e aço inoxidável, respectivamente e têm geometrias limpas sem orifícios ou cantos mortos.
A única parte que está sujeita ao desgaste é a sonda ultrassônica, que pode ser substituída sem interrupção significativa da operação. O sonotrode de um ultrassônico de laboratório é alterado dentro de aproximadamente 10 min, enquanto a mudança de um sonotrode de um homogeneizador ultrassônico industrial pode levar aproximadamente 30-45 min.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: