Omogenizatoare – Principiul de funcționare, utilizarea și extinderea

Omogenizatoarele sunt un tip de mixere, care aplică forțe mecanice pentru a amesteca, emulsiona, dispersa și dizolva sistemele lichid-lichid și solid-lichid. În funcție de modelul omogenizatorului, forfecarea rotativă, duzele sau ultrasunetele de mare putere sunt utilizate pentru a crea forțele necesare pentru a dezintegra și descompune particulele solide, precum și picăturile de lichid. Aflați mai multe despre dispozitivele de omogenizare și aplicațiile lor în cercetare și producție!

Ce este un omogenizator?

Un omogenizator este o clasă de dispozitive de amestecare, care este proiectată pentru a rupe particulele, atât solide, cât și lichide, într-un amestec uniform. Omogenizatoarele sunt disponibile ca echipamente de laborator, banc-top și industriale utilizate pentru diverse aplicații în cercetare și industrie. Aplicarea tipică a omogenizatorului include amestecarea și dezintegrarea diferitelor materiale, inclusiv particule, pigmenți, substanțe chimice, plante, alimente, celule, țesuturi, printre altele.

Vă rugăm să ne contactați pentru a afla mai multe despre omogenizatoare, sonicare și cum puteți utiliza sonicators noastre pentru procesul dvs.!

Prezentare generală asupra diferitelor tipuri de omogenizatoare

Diferite tipuri de omogenizatoare sunt disponibile în comerț pentru utilizarea în producția de banc-top și industrială la scară largă. Cu toate acestea, mixerele rotor / stator (coloid), omogenizatoare de înaltă presiune și omogenizatoare cu ultrasunete sunt cele mai utilizate modele.
Rotorul sau mixerele cu lamă au o lamă de filare, care se rotește la viteză mare în partea inferioară a vasului de amestec, combinând astfel diverse materiale într-un amestec omogen.
După cum sugerează deja numele mixerului rotor / stator, un mixer rotor / stator are un rotor și o componentă stator. Rotorul este un arbore metalic care se rotește la viteze mari în stator. Statorul este partea metalică care rămâne staționară. Rotația rotorului creează un efect de aspirație care deplasează materialul solid-lichid între stator și rotor, unde solidele sunt reduse la dimensiuni mai mici ale particulelor.
Principiul de funcționare al omogenizatorului de înaltă presiune (HPH) se bazează pe utilizarea unei pompe de înaltă presiune și a unei supape (duză, orificiu), ceea ce face ca echipamentul să fie mare, greu și costisitor. Suspensia prelucrată este forțată cu viteză mare de curgere printr-un orificiu mic, ceea ce reduce dimensiunea particulelor, deoarece particulele necesită o anumită dimensiune mică pentru a trece prin supapă. Mai ales la prelucrarea solidelor, HPH-urile sunt predispuse la înfundare.
Omogenizatoare cu ultrasunete folosesc forțele de forfecare mare generate de cavitație acustică, ceea ce le oferă diverse avantaje față de alte tehnici de omogenizare. Principiul de lucru și beneficiile omogenizării cu ultrasunete sunt prezentate mai jos.

Ultrasunete de mare putere ca forță de omogenizare

Un omogenizator cu ultrasunete utilizează vibrații cu ultrasunete de înaltă intensitate și cavitație pentru a crea forțe de forfecare foarte intense și, prin urmare, poate fi numit un mixer super-intens de forfecare înaltă. Secretul din spatele forțelor super-intense de forfecare înaltă este cavitația acustică, care este generată de undele cu ultrasunete de mare putere. Un omogenizator cu ultrasunete are un generator, care este sursa de alimentare și unitatea de control și un traductor. Traductorul conține ceramică piezoelectrică. Aceste ceramici piezo-electrice transformă energia electrică în oscilație, deoarece cristalele piezoelectrice își schimbă dimensiunea și forma atunci când se aplică tensiunea. Când frecvența oscilatorului electronic este egală cu frecvența naturală a cuarțului piezoelectric, apare rezonanța. În condiții de rezonanță, cuarțul produce unde ultrasonice longitudinale de amplitudine mare.
Undele cu ultrasunete generate sunt apoi cuplate prin sonda cu ultrasunete (sonotrode / corn) în mediul de proces. Amplitudinea la sonda ultrasonică determină intensitatea undelor cu ultrasunete, care sunt transmise în lichid sau suspensie. Undele ultrasonice generează cicluri alternative de înaltă presiune și joasă presiune în medii lichide. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate produc bule mici de vid în lichid. În timpul ciclului de înaltă presiune, bulele mici de vid se prăbușesc distructiv. Acest fenomen se numește cavitație. Implozia bulelor de cavitație poate genera, de asemenea, jeturi lichide cu o viteză mare de până la 280 m / s, rezultând forțe puternice de forfecare. Forțele de forfecare sparg particulele, provoacă coliziunea între particule și perturbă mecanic picăturile și celulele, promovând în același timp un transfer de masă extrem de eficient. Aceste forțe cavitaționale produc dispersii, emulsii și suspensii uniforme și omogene și sunt, de asemenea, cunoscute pentru promovarea reacțiilor chimice (așa-numita sonochimie).

Cavitația acustică (generată de ultrasunetele de mare putere) creează la nivel local condiții extreme, așa-numitele efecte sonomecanice și sonochimice. Datorită acestor efecte, sonicare reduce particulele solide și lichide și le amestecă într-o formulare omogenă.

Omogenizatoare cu ultrasunete – Avantaje

Omogenizatoare cu ultrasunete sunt superioare, atunci când vine vorba de producția de solid-lichid (așa-numitele suspensii) și suspensii și soluții lichid-lichid. Deoarece ultrasonicators folosesc principiul de lucru al cavitației cu ultrasunete, materialul trebuie să fie umed sau într-o fază umedă, deoarece cavitația apare numai în lichid. Acest lucru înseamnă că un ultrasonicator nu ar fi foarte eficient în amestecarea unei pulberi uscate, dar de îndată ce pulberea se umezește, sonicare este cea mai eficientă metodă de amestecare. Omogenizatoare cu ultrasunete sunt bine cunoscute pentru a amesteca, amesteca și dispersa în mod fiabil chiar paste și materiale foarte vâscoase. Forțele extraordinar de intense cauzate de implozia bulelor de cavitație creează nu numai forțe de forfecare foarte puternice, ci și temperaturi și presiuni ridicate limitate local, precum și diferențialele respective. Aceste combinații de forțe fizice perturbă particulele la dimensiuni mult mai mici decât un omogenizator convențional. Prin urmare, omogenizatoare cu ultrasunete sunt echipamentul preferat pentru producția fiabilă de emulsii nano-dimensiuni și dispersii.

Aplicații ale omogenizatoarelor cu ultrasunete

Omogenizatoare cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă în laborator și instalații industriale pentru omogenizarea suspensiilor solid-lichid și lichid-lichid, reduce dimensiunea particulelor, perturba și extrage materialul biologic, intensifica reacțiile chimice și dizolva compușii solubili.

Emulsionare cu ultrasunete

Emulsionarea este procesul de amestecare a două sau mai multe lichide nemiscibile împreună pentru a prepara un amestec stabil sau semistabil. În general, aceste două lichide constau dintr-o fază uleioasă și o fază apoasă (apă). Pentru a stabiliza amestecul diferitelor faze lichide, se adaugă un emulgator (agent tensioactiv / co-surfactant). Dimensiunea picăturii unei emulsii joacă un rol crucial atunci când vine vorba de funcționalitatea și stabilitatea unei emulsii. Deoarece ultrasunetele de putere creează forțe sonomecanice, care descompun picăturile și le reduc la picături minute, sonicare este o metodă foarte populară pentru producerea de microni și nano-emulsii. Omogenizatoare cu ultrasunete sunt un instrument fiabil pentru producerea de O / W și W / O emulsii, emulsii inverse, emulsii duble (O / W / O, W / O / W), mini-emulsii, precum și emulsii Pickering. Pe baza acestei flexibilități și a capacității fiabile de emulsionare, omogenizatoare cu ultrasunete (uneori numite și emulgatori cu ultrasunete atunci când sunt utilizate pentru emulsionare) sunt utilizate, de exemplu, în industria chimică, alimentară, farmaceutică și de combustibil pentru a produce emulsii stabile pe termen lung.
Faceți clic pe următoarele linkuri pentru a afla mai multe despre nano-emulsii și Emulsii Pickering!

Dispersie cu ultrasunete

Omogenizatoare cu ultrasunete sunt foarte eficace atunci când aglomerate de particule, agregate și chiar particule primare trebuie să fie reduse în mod fiabil în dimensiune. Avantajul omogenizatoarelor cu ultrasunete este capacitatea lor de a freza particulele până la dimensiuni mai mici și mai uniforme ale particulelor, indiferent dacă micronii sau nanoparticulele sunt vizate ca rezultat al procesului. Forțele de forfecare cavitaționale și fluxurile lichide accelerează particulele astfel încât acestea să se ciocnească între ele. Acest lucru este cunoscut sub numele de coliziune interparticule. Particulele în sine acționează ca mediu de frezare, care evită contaminarea prin măcinarea mărgelelor și procesul de separare ulterior, care este necesar atunci când se utilizează mori convenționale de mărgele. Deoarece particulele se ciocnesc prin coliziune interparticulară la viteze foarte mari de până la 280 m / sec, forțe extraordinar de mari se aplică particulelor, care, prin urmare, se sparg în fracțiuni minuscule. Fricțiunea și eroziunea conferă acestor fragmente de particule o suprafață lustruită și o formă uniformă. Combinația dintre forțele de forfecare și coliziunea interparticulelor conferă omogenizării și dispersiei cu ultrasunete avantajul avantajos, oferind suspensii și dispersii coloidale foarte omogene!
Secvența de imagini de mai jos prezintă forțele cavitaționale ale ultrasunetelor asupra fulgilor de grafit.

O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
© Tyurnina și colab. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersia și omogenizarea nanomaterialelor

Atât pentru emulsii, cât și pentru dispersii, prepararea amestecurilor de dimensiuni nanometrice este o sarcină dificilă. Cele mai multe tehnici convenționale de omogenizare și amestecare, cum ar fi mixerele cu lame, fabricile de mărgele, omogenizatoarele de înaltă presiune și alte mixere, sunt capabile să producă particule de dimensiuni micronice, dar nu pot descompune în mod fiabil picăturile și solidele până la dimensiuni nano. Acest lucru se datorează în mare parte intensității insuficiente. De exemplu, mixerele cu lamă nu oferă suficientă forfecare pentru ruperea particulelor la dimensiuni nanometrice. Morile de mărgele, un alt tip de omogenizator, nu pot măcina solidele uniform la o dimensiune mai fină a particulelor decât mărgelele (mediile de măcinare) în sine. Granulele de șlefuire convenționale au o dimensiune medie între 1.500 mm – 35.000 mm. O altă problemă este contaminarea prin uzură a mediului de frezare. Deoarece ultrasonicators oferă forțe de forfecare extraordinar de mari, dar precis controlabile, cavitația cu ultrasunete este tehnica preferată pentru producerea fiabilă de nano-dispersie și nano-emulsii în laborator (R&D), configurații pilot și industriale.

Scale-up de procese de omogenizare cu ultrasunete

Atunci când scalarea până la un omogenizator cu ultrasunete de laborator la un ultrasonicator pilot, și de la un sistem pilot la un omogenizator cu ultrasunete de producție la scară largă, scale-up poate fi aplicat complet liniar! Toți parametrii importanți ai procesului, ar fi amplitudinea, presiunea, temperatura și timpul de procesare sunt menținute constante, numai suprafața sondei cu ultrasunete și ultrasonicator ca agitator energetic al sondei sunt scalate la unități mai mari, mai puternice. Scalabilitatea liniară a proceselor de omogenizare cu ultrasunete permite obținerea în producția mare a acelorași rezultate de înaltă calitate ca și în setările de laborator și pilot.

Găsiți cel mai potrivit omogenizator cu ultrasunete pentru procesul dvs.!

Hielscher Ultrasonics este partenerul tău cu experiență de mult timp pentru omogenizatoare cu ultrasunete. Toate ultrasonicators Hielscher sunt proiectate, fabricate și testate în sediul nostru din Germania înainte de a le livra clienților noștri din întreaga lume. Hielscher omogenizatoare cu ultrasunete sunt dispozitive de înaltă calitate charcterizat de performanță constantă de înaltă performanță, fiabilitate, robustețe, și ușurința în utilizare. Sofisticarea tehnică a tehnologiei de omogenizare cu ultrasunete oferă utilizatorilor de echipamente Hielscher avantaje competitive, care le fac lider de piață în industria lor. Cu gama largă de produse de la omogenizatoare de laborator și banc-top, sisteme pilot și omogenizatoare cu ultrasunete full-industriale pentru producții comerciale, Hielscher are sistemul ideal de amestecare cu ultrasunete pentru cerințele dumneavoastră. Accesoriile colectorului permit configurarea ideală a omogenizatorului cu ultrasunete – potrivirea nevoilor individuale.
Spuneți-ne cerințele și specificațiile procesului – Vă vom recomanda cu plăcere cel mai potrivit și eficient omogenizator cu ultrasunete pentru aplicația dvs.!

Eficiență ridicată folosind omogenizatoare cu ultrasunete

Datorită eficienței extraordinare a procesului, costuri rezonabile de investiții, eficiență energetică foarte ridicată și costuri reduse de muncă și întreținere, omogenizatoare cu ultrasunete Hielscher depășesc tehnicile convenționale de omogenizare și realizează un ROI rapid (rentabilitatea investiției). Adesea, un omogenizator cu ultrasunete este amortizat în câteva luni.

Ecografie de mare putere pentru omogenizare industrială

Amplitudinea este cel mai important parametru de proces în procesele de omogenizare bazate pe ultrasunete. Toate ultrasonicators Hielscher permite controlul precis asupra amplitudinii. În funcție de ținta procesului, se poate seta o amplitudine mai mică pentru condiții de procesare mai blânde sau se alege o amplitudine mare pentru rezultate de dispersie mai distructive. Hielscher sonicatoare industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.

Cerințe reduse de întreținere pentru omogenizatoare cu ultrasunete

Omogenizatoare cu ultrasunete nu sunt doar ușor de curățat, deoarece sonotrode și reactor sunt singurele componente care sunt părți umede și să intre în contact cu materialul prelucrat. Sonotrode (de asemenea, cunoscut sub numele de corn cu ultrasunete sau sondă) și reactor sunt fabricate din titan și oțel inoxidabil, respectiv, și au geometrii curate fără orificii sau colțuri moarte.
Singura parte care este supusă uzurii este sonda cu ultrasunete, care poate fi înlocuită fără întreruperi semnificative ale operației. Sonotrode de un ultrasonicator de laborator este schimbat în aproximativ 10 min, în timp ce schimbarea unui sonotrode de un omogenizator cu ultrasunete industriale poate dura aproximativ 30-45 min.

Contactează-ne acum! Echipa noastră experimentată va fi bucuroasă să ofere informații tehnice și recomandări legate de proces!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: