Homogeneizadores – Princípio de funcionamento, uso e aumento de escala

Os homogeneizadores são um tipo de misturador que aplica forças mecânicas para misturar, emulsionar, dispersar e dissolver sistemas líquido-líquido e sólido-líquido. Dependendo do modelo do homogeneizador, cisalhamento rotacional, bicos ou 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 os dispositivos homogeneizadores e suas aplicações em pesquisa e produção!

O que é um homogeneizador?

Um homogeneizador é uma classe de dispositivos de mistura, projetados para quebrar partículas, sólidas e líquidas, em uma mistura uniforme. Os homogeneizadores estão disponíveis como equipamentos de laboratório, bancada e industriais usados para várias aplicações em pesquisa e indústria. A aplicação típica do homogeneizador inclui a mistura e 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

Vários tipos de homogeneizadores estão disponíveis comercialmente para uso em bancada e produção industrial em larga escala. No entanto, os misturadores rotor/estator (colóide), homogeneizadores de alta pressão e homogeneizadores ultrassônicos são os modelos mais utilizados.
Os misturadores de impulsores ou lâminas têm uma lâmina giratória, que gira em alta velocidade no fundo do recipiente de mistura, combinando assim vários materiais em uma mistura homogênea.
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 de metal 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 um tamanho de partícula menor.
O princípio de funcionamento do homogeneizador de alta pressão (HPH) é baseado no uso de uma bomba de alta pressão e uma válvula (bico, orifício), o que torna o equipamento grande, pesado e caro. A pasta processada é forçada com alta velocidade de fluxo através de um pequeno orifício, o que reduz o tamanho das partículas, pois as partículas requerem um certo tamanho pequeno para passar pela válvula. Especialmente ao processar sólidos, os HPHs são propensos a entupimento.
Os homogeneizadores ultrassônicos usam as forças de alto cisalhamento geradas pela cavitação acústica, o que lhes confere várias vantagens sobre outras técnicas de homogeneização. O princípio de funcionamento 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, portanto, pode ser chamado de misturador de alto cisalhamento superintenso. O segredo por trás das forças de alto cisalhamento superintensas é a cavitação acústica, que é gerada por ondas de ultrassom de alta potência. Um homogeneizador ultrassônico possui um gerador, que é a fonte de alimentação e a unidade de controle, e um transdutor. O transdutor contém cerâmica piezoelétrica. Essas cerâmicas piezoelétricas convertem a energia elétrica em oscilação, uma vez que os cristais piezoelétricos mudam de tamanho e forma quando a tensão é aplicada. Quando a frequência do oscilador eletrônico é igual à frequência natural do quartzo piezoelétrico, ocorre ressonância. Sob condições de ressonância, o quartzo produz ondas ultrassônicas longitudinais de grande amplitude.
As ondas de ultrassom geradas são então acopladas através da sonda ultrassônica (sonotrodo / buzina) no meio do processo. A amplitude na sonda ultrassônica determina a intensidade das ondas de ultrassom, que são transmitidas para o líquido ou pasta. As ondas ultrassônicas geram ciclos alternados de alta e baixa pressão em meios líquidos. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassônicas de alta intensidade produzem pequenas bolhas de vácuo no líquido. Durante o ciclo de alta pressão, pequenas bolhas de vácuo colapsam destrutivamente. Esse fenômeno é chamado de cavitação. A implosão de bolhas de cavitação também pode gerar jatos líquidos com alta velocidade de até 280 m/s, resultando em poderosas forças de cisalhamento. As forças de cisalhamento 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, emulsões e suspensões uniformes e homogêneas 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 sonomecânicos e sonoquímicos. Devido a esses efeitos, a sonicação reduz as partículas sólidas e líquidas e as mistura em uma formulação homogênea.

Homogeneizadores ultrassônicos – Vantagens

Os homogeneizadores ultrassônicos são superiores quando se trata da produção de suspensões e soluções sólido-líquido (as chamadas pastas) e líquido-líquido. Como os ultrassônicos usam o princípio de funcionamento da cavitação ultrassônica, o material deve estar úmido ou em fase úmida, pois a cavitação ocorre apenas em líquido. Isso significa que um ultrasonicador 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 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 de bolhas de cavitação criam não apenas forças de alto cisalhamento muito poderosas, mas também altas temperaturas e pressões confinadas localmente, bem como os respectivos diferenciais. Essa combinação de forças físicas interrompe as partículas em tamanhos muito menores do que um homogeneizador convencional. Portanto, os homogeneizadores ultrassônicos são o equipamento preferido para a produção confiável de emulsões e dispersões nanométricas.

Aplicações de homogeneizadores ultrassônicos

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

Emulsificação ultrassônica

A emulsificação é o processo de misturar dois ou mais líquidos imiscíveis para preparar uma mistura estável ou semiestável. Em geral, esses dois líquidos consistem em uma fase oleosa e uma fase aquosa (água). Para estabilizar a mistura das diferentes fases líquidas, um emulsificante (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. Como o ultrassom de potência cria forças sonomecânicas, que quebram as gotículas e as reduzem a gotículas minúsculas, a sonicação é um método muito popular para a produção de emulsões de mícron e nano. Os homogeneizadores ultrassônicos são uma ferramenta confiável para a produção de emulsões O/A e A/O, emulsões inversas, emulsões duplas (O/W/O, W/O/W), miniemulsões, bem como emulsões de Pickering. Com base nessa flexibilidade e na capacidade emulsificante confiável, os homogeneizadores ultrassônicos (às vezes também chamados de emulsificantes ultrassônicos quando usados para emulsificação) são usados, por exemplo, na indústria química, alimentícia, farmacêutica e de combustíveis para produzir emulsões estáveis de longo prazo.
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Dispersão ultrassônica

Os homogeneizadores ultrassônicos são muito eficazes quando aglomerados de partículas, agregados e até partículas primárias devem ser reduzidos de forma confiável em tamanho. A vantagem dos homogeneizadores ultrassônicos é sua capacidade de moer partículas em tamanhos de partículas menores e mais uniformes, sejam micropartículas ou nanopartículas direcionadas como resultado do processo. As forças de cisalhamento cavitacionais e os fluxos de líquido aceleram as partículas para que colidam umas com as outras. Isso 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, que é necessário quando são usados moinhos de esferas convencionais. Como o choque de partículas por colisão entre partículas em velocidades muito altas de até 280m / seg, forças extraordinariamente altas se aplicam às partículas, que, portanto, se quebram em frações minúsculas. O atrito e a erosão dão a esses fragmentos de partículas uma superfície polida e uma forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisão entre partículas dá homogeneização e dispersão ultrassônica a borda vantajosa, proporcionando suspensões e dispersões coloidais altamente homogêneas!
A sequência de imagens abaixo mostra as forças cavitacionais do ultrassom em flocos de grafite.

Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de quadros ilustrando a esfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água usando o UP200S, um ultrassônico de 200W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local 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

Tanto para emulsões quanto para dispersões, a preparação de misturas nanométricas é uma tarefa desafiadora. A maioria das técnicas convencionais de homogeneização e mistura, como misturadores de lâminas, moinhos de esferas, homogeneizadores de alta pressão e outros misturadores, são capazes de produzir partículas de tamanho mícron, mas não podem quebrar gotículas e sólidos de forma confiável até o tamanho nanométrico. Isso se deve principalmente à intensidade insuficiente. Por exemplo, os misturadores de lâmina não fornecem cisalhamento suficiente para quebrar partículas em tamanho nanométrico. Os moinhos de esferas, outro tipo de homogeneizador, não podem moer sólidos uniformemente para um tamanho de partícula mais fino do que as próprias esferas (meios 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. Como os ultrassônicos fornecem forças de cisalhamento extraordinariamente altas, mas precisamente controláveis, a cavitação por ultrassom é a técnica preferida para a produção confiável de nanodispersão e nanoemulsões em laboratório (R&D), piloto e configurações industriais.

Aumento de escala 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 escala real, o aumento de escala pode ser aplicado de forma 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 do ultrassônico como agitador energético da sonda são dimensionados para unidades maiores e mais potentes. 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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A Hielscher Ultrasonics é seu parceiro experiente de longa data para homogeneizadores ultrassônicos. Todos os ultrassônicos Hielscher são projetados, fabricados e testados em nossa sede na Alemanha antes de enviá-los aos nossos clientes em todo o mundo. Os homogeneizadores ultrassônicos Hielscher são dispositivos de alta qualidade caracterizados por alto desempenho constante, confiabilidade, robustez e facilidade de uso. A sofisticação técnica da tecnologia de homogeneização ultrassônica oferece aos usuários dos equipamentos Hielscher vantagens competitivas, o que os torna líderes de mercado em seu setor. Com a ampla gama de produtos de homogeneizadores de laboratório e de bancada, sistemas piloto e homogeneizadores ultrassônicos totalmente industriais para produções comerciais, a Hielscher tem o sistema de mistura ultrassônico ideal para suas necessidades. Os acessórios do coletor permitem a configuração ideal do homogeneizador ultrassônico – atender às necessidades individuais.
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Alta eficiência usando homogeneizadores ultrassônicos

Devido à extraordinária eficiência do processo, custos de investimento razoáveis, 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 (Retorno sobre o Investimento). Muitas vezes, um homogeneizador ultrassônico 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 acionados por ultrassom. Todos os ultrassônicos Hielscher permitem o controle preciso sobre a amplitude. Dependendo do alvo do processo, uma amplitude mais baixa pode ser definida para condições de processamento mais suaves ou uma amplitude alta é escolhida para resultados de dispersão mais destrutivos. Os sonicadores industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.

Baixos requisitos de manutenção para homogeneizadores ultrassônicos

Os homogeneizadores ultrassônicos não são apenas fáceis de limpar, pois o sonotrodo e o reator são os únicos componentes que são partes úmidas e entram em contato com o material processado. O sonotrodo (também conhecido como buzina ou sonda ultrassônica) e o reator são feitos de titânio e aço inoxidável, respectivamente, e têm geometrias limpas sem orifícios ou cantos mortos.
A única peça que está sujeita a desgaste é a sonda ultrassônica, que pode ser substituída sem interrupção significativa da operação. O sonotrodo de um ultrassônico de laboratório é trocado em aprox. 10 min, enquanto a troca de um sonotrodo de um homogeneizador ultrassônico industrial pode levar aprox. 30-45 min.

Entre em contato conosco agora! Nossa equipe experiente terá prazer em fornecer informações técnicas e recomendações relacionadas ao processo!

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: