Omogenizatoare – principiu de funcționare, utilizare și scalare

Omogenizatoarele sunt un tip de mixere care aplică forțe mecanice pentru a amesteca, emulsiona, dispersa și dizolva sisteme lichid-lichid și solid-lichid. În funcție de modelul de omogenizator, se utilizează forfecarea rotațională, duze sau ultrasunete de mare putere pentru a genera forțele necesare dezintegrării și fragmentării particulelor solide, precum și a picăturilor de lichid. Aflați mai multe despre omogenizatoare și aplicațiile lor în cercetare și producție!

Ce este un omogenizator?

Un omogenizator face parte dintr-o clasă de dispozitive de amestecare, concepută pentru a fragmenta particulele, atât solide, cât și lichide, într-un amestec uniform. Omogenizatoarele sunt disponibile ca echipamente de laborator, de masă și industriale, utilizate pentru diverse aplicații în cercetare și industrie. Aplicațiile tipice ale omogenizatoarelor includ amestecarea și dezintegrarea diverselor materiale, printre care particule, pigmenți, substanțe chimice, plante, alimente, celule, țesuturi și altele.

Contactați-ne pentru a afla mai multe despre omogenizatoare, sonicare și despre modul în care puteți utiliza sonicatoarele noastre pentru procesul dumneavoastră!

Prezentare generală a diverselor tipuri de omogenizatoare

Diverse tipuri de omogenizatoare sunt disponibile comercial pentru utilizare în configurații de masă și în producția industrială la scară mare. Totuși, mixerele rotor/stator (coloidale), omogenizatoarele de înaltă presiune și omogenizatoarele cu ultrasunete sunt modelele cele mai utilizate.
Mixerele cu impeller sau cu lame au o lamă rotativă, care se rotește cu viteză mare la baza vasului de amestecare, combinând astfel diverse materiale într-un amestec omogen.
Așa cum sugerează deja denumirea, un mixer rotor/stator are o componentă rotor și o componentă stator. Rotorul este un ax metalic care se rotește cu viteze mari în interiorul statorului. Statorul este partea metalică ce rămâne staționară. Rotația rotorului creează un efect de aspirație care deplasează materialul solid-lichid între stator și rotor, unde solidele sunt reduse la o dimensiune mai mică a 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 echipamentul mare, greu și scump. Suspensia densă procesată este forțată cu viteză mare de curgere printr-un orificiu mic, ceea ce reduce dimensiunea particulelor, deoarece particulele trebuie să aibă o anumită dimensiune mică pentru a trece prin supapă. În special la procesarea solidelor, HPH-urile sunt predispuse la înfundare.
Omogenizatoarele cu ultrasunete utilizează forțele de forfecare ridicată generate de cavitația acustică, ceea ce le conferă diverse avantaje față de alte tehnici de omogenizare. Principiul de funcționare și beneficiile omogenizării cu ultrasunete sunt prezentate mai jos.

Ultrasunetele de mare putere ca forță de omogenizare

Un omogenizator cu ultrasunete utilizează vibrații ultrasonice de mare intensitate și cavitația pentru a crea forțe de forfecare foarte intense și, prin urmare, poate fi numit un mixer cu forfecare ridicată super-intens. Secretul din spatele forțelor de forfecare ridicată super-intense este cavitația acustică, generată de undele ultrasonice de mare putere. Un omogenizator cu ultrasunete are un generator, care reprezintă unitatea de alimentare și de control, și un traductor. Traductorul conține ceramici piezoelectrice. Aceste ceramici piezoelectrice convertesc energia electrică în oscilație, deoarece cristalele piezoelectrice își modifică dimensiunea și forma atunci când se aplică o tensiune. 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 ultrasonice generate sunt apoi cuplate prin sonda ultrasonică (sonotrodă / „horn”) în mediul de proces. Amplitudinea la nivelul sondei ultrasonice determină intensitatea undelor ultrasonice transmise în lichid sau în suspensia densă. Undele ultrasonice generează cicluri alternante de înaltă presiune și de joasă presiune în mediile lichide. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate produc mici bule de vid în lichid. În timpul ciclului de înaltă presiune, micile bule de vid colapsează distructiv. Acest fenomen se numește cavitație. Implozia bulelor de cavitație poate genera, de asemenea, jeturi de lichid cu o viteză mare, de până la 280 m/s, rezultând forțe de forfecare puternice. Forțele de forfecare fragmentează particulele, provoacă coliziuni între particule și dezintegrează mecanic picăturile și celulele, favorizând în același timp un transfer de masă foarte eficient. Aceste forțe cavitaționale produc dispersii, emulsii și suspensii uniforme și omogene și sunt cunoscute, de asemenea, pentru faptul că favorizează reacțiile chimice (așa-numita sonochimie).

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

Avantajele utilizării sonicatoarelor ca omogenizatoare

Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt superioare atunci când este vorba de producerea suspensiilor și soluțiilor solid-lichid (așa-numitele suspensii dense) și lichid-lichid. Deoarece ultrasonicatoarele utilizează principiul de funcționare al cavitației ultrasonice, materialul trebuie să fie umed sau într-o fază umedă, întrucât cavitația apare numai în lichid. Aceasta înseamnă că un ultrasonicator nu ar fi foarte eficient la amestecarea unei pulberi uscate, dar de îndată ce pulberea este umezită, sonicarea este cea mai eficientă metodă de amestecare. Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt bine cunoscute pentru faptul că amestecă, combină și dispersează în mod fiabil chiar și paste și materiale foarte vâscoase. Forțele extraordinar de intense cauzate de implozia bulelor de cavitație creează nu numai forțe de forfecare ridicată foarte puternice, ci și temperaturi și presiuni ridicate limitate local, precum și diferențele corespunzătoare. Această combinație de forțe fizice fragmentează particulele la dimensiuni mult mai mici decât un omogenizator convențional. Prin urmare, omogenizatoarele cu ultrasunete sunt echipamentul preferat pentru producția fiabilă de emulsii și dispersii de dimensiuni nanometrice.

Aplicații ale omogenizatoarelor cu ultrasunete

Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă în laboratoare și instalații industriale pentru a omogeniza suspensii solid-lichid și lichid-lichid, a reduce dimensiunea particulelor, a dezintegra și extrage material biologic, a intensifica reacțiile chimice și a dizolva compuși solubili.

Emulsionarea cu ultrasunete

Emulsionarea este procesul de amestecare a două sau mai multe lichide nemiscibile 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 (surfactant / co-surfactant). Dimensiunea picăturilor unei emulsii joacă un rol crucial în ceea ce privește funcționalitatea și stabilitatea emulsiei. Deoarece ultrasunetele de putere creează forțe sonomecanice, care fragmentează picăturile și le reduc la picături minuscule, sonicarea este o metodă foarte populară pentru producerea micro- și nanoemulsiilor. Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt un instrument fiabil pentru producerea emulsiilor O/W și W/O, a emulsiilor inverse, a emulsiilor duble (O/W/O, W/O/W), a miniemulsiilor, precum și a emulsiilor Pickering. Pe baza acestei flexibilități și a capacității fiabile de emulsionare, omogenizatoarele cu ultrasunete (uneori numite și emulsificatoare cu ultrasunete atunci când sunt utilizate pentru emulsionare) sunt utilizate, de exemplu, în industria chimică, alimentară, farmaceutică și a combustibililor pentru a produce emulsii stabile pe termen lung.
Faceți clic pe următoarele linkuri pentru a afla mai multe despre nanoemulsii și emulsii Pickering!

Dispersarea cu ultrasunete

Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt foarte eficace atunci când aglomeratele, agregatele și chiar particulele primare de particule trebuie reduse în mod fiabil ca dimensiune. Avantajul omogenizatoarelor cu ultrasunete constă în capacitatea lor de a mărunți particulele până la dimensiuni mai mici și mai uniforme, indiferent dacă rezultatul vizat al procesului sunt micro- sau nanoparticule. Forțele de forfecare cavitaționale și curenții de lichid accelerează particulele astfel încât acestea se ciocnesc între ele. Acest fenomen este cunoscut sub numele de coliziune interparticulară. Particulele însele acționează ca mediu de măcinare, ceea ce evită contaminarea cu bile de măcinare și procesul ulterior de separare, necesar atunci când se utilizează mori cu bile convenționale. Deoarece particulele se ciocnesc prin coliziune interparticulară la viteze foarte mari, de până la 280m/sec, asupra particulelor acționează forțe extraordinar de mari, astfel încât acestea se sparg în fragmente minuscule. Frecarea și eroziunea conferă acestor fragmente de particule o suprafață lustruită și o formă uniformă. Combinația dintre forțele de forfecare și coliziunea interparticulară oferă omogenizării și dispersării cu ultrasunete avantajul decisiv, producând suspensii și dispersii coloidale foarte omogene!
Secvența de imagini de mai jos ilustrează forțele cavitaționale ale ultrasunetelor asupra fulgilor de grafit.

O secvență de cadre de mare viteză (de la a la f) care ilustrează exfolierea sonomecanică a unui fulg de grafit în apă utilizând UP200S, un ultrasonicator de 200W, cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile indică locul de despicare (exfoliere), cu bulele de cavitație pătrunzând în fisură.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersarea și omogenizarea nanomaterialelor

Atât pentru emulsii, cât și pentru dispersii, prepararea amestecurilor de dimensiuni nanometrice este o sarcină dificilă. Majoritatea tehnicilor convenționale de omogenizare și amestecare, cum ar fi mixerele cu lame, morile cu bile, omogenizatoarele de înaltă presiune și alte mixere, sunt capabile să producă particule de dimensiuni micrometrice, dar nu pot fragmenta în mod fiabil picăturile și solidele până la dimensiuni nanometrice. Acest lucru se datorează în principal intensității insuficiente. De exemplu, mixerele cu lame nu asigură suficientă forfecare pentru a fragmenta particulele la dimensiuni nanometrice. Morile cu bile, un alt tip de omogenizator, nu pot măcina solidele uniform la o dimensiune a particulelor mai fină decât cea a bilelor (mediile de măcinare) înseși. Bilele de măcinare convenționale au o dimensiune medie cuprinsă în intervalul 1.500 mm – 35.000 mm. O altă problemă este contaminarea cauzată de uzura mediului de măcinare. Deoarece ultrasonicatoarele furnizează forțe de forfecare extraordinar de mari, dar controlabile cu precizie, cavitația ultrasonică este tehnica preferată pentru producția fiabilă de nanodispersii și nanoemulsii în configurații de laborator (R&D), pilot și industriale.

Scalarea proceselor de omogenizare cu ultrasunete

La trecerea de la un omogenizator cu ultrasunete de laborator la un ultrasonicator pilot și de la un sistem pilot la un omogenizator cu ultrasunete pentru producție la scară completă, scalarea poate fi aplicată complet liniar! Toți parametrii importanți ai procesului, precum amplitudinea, presiunea, temperatura și timpul de procesare, sunt menținuți constanți; doar suprafața sondei ultrasonice și ultrasonicatorul, ca agitator energetic al sondei, sunt scalate la unități mai mari și mai puternice. Scalabilitatea liniară a proceselor de omogenizare cu ultrasunete permite obținerea, în producția la scară mare, a acelorași rezultate de înaltă calitate ca în configurațiile de laborator și pilot.

Găsiți cel mai potrivit omogenizator cu ultrasunete pentru procesul dumneavoastră!

Hielscher Ultrasonics este partenerul dumneavoastră cu experiență îndelungată în domeniul omogenizatoarelor cu ultrasunete. Toate ultrasonicatoarele Hielscher sunt proiectate, fabricate și testate la sediul nostru central din Germania înainte de a fi expediate clienților noștri din întreaga lume. Omogenizatoarele cu ultrasunete Hielscher sunt dispozitive de înaltă calitate, caracterizate prin performanță ridicată constantă, fiabilitate, robustețe și ușurință în utilizare. Sofisticarea tehnică a tehnologiei de omogenizare cu ultrasunete oferă utilizatorilor echipamentelor Hielscher avantaje competitive, care îi transformă în lideri de piață în industria lor. Cu gama largă de produse, de la omogenizatoare de laborator și de masă, sisteme pilot și omogenizatoare cu ultrasunete complet industriale pentru producția comercială, Hielscher are sistemul ideal de amestecare cu ultrasunete pentru cerințele dumneavoastră. Accesoriile variate permit configurarea ideală a omogenizatorului cu ultrasunete – adaptată nevoilor individuale.
Comunicați-ne cerințele și specificațiile procesului dumneavoastră – vă vom recomanda cu plăcere cel mai potrivit și eficient omogenizator cu ultrasunete pentru aplicația dumneavoastră!

Eficiență ridicată cu omogenizatoarele cu ultrasunete

Datorită eficienței extraordinare a procesului, costurilor de investiție rezonabile, eficienței energetice foarte ridicate și costurilor reduse de manoperă și întreținere, omogenizatoarele cu ultrasunete Hielscher depășesc tehnicile convenționale de omogenizare și asigură un RoI (randament al investiției) rapid. Adesea, un omogenizator cu ultrasunete se amortizează în câteva luni.

Ultrasunete de mare putere pentru omogenizarea industrială

Amplitudinea este cel mai important parametru de proces în procesele de omogenizare bazate pe ultrasunete. Toate ultrasonicatoarele Hielscher permit controlul precis al amplitudinii. În funcție de obiectivul procesului, se poate seta o amplitudine mai mică pentru condiții de procesare mai blânde sau se alege o amplitudine ridicată pentru rezultate de dispersare mai distructive. Sonicatoarele industriale Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate.

Cerințe reduse de întreținere pentru omogenizatoarele cu ultrasunete

Omogenizatoarele cu ultrasunete nu sunt doar ușor de curățat, deoarece sonotroda și reactorul sunt singurele componente care sunt piese umede și intră în contact cu materialul procesat. Sonotroda (denumită și „horn” ultrasonic sau sondă) și reactorul sunt fabricate din titan, respectiv din oțel inoxidabil și au geometrii curate, fără orificii sau colțuri moarte.
Singura piesă supusă uzurii este sonda ultrasonică, care poate fi înlocuită fără întreruperi semnificative ale funcționării. Sonotroda unui ultrasonicator de laborator se schimbă în aprox. 10 min, în timp ce schimbarea sonotrodei unui omogenizator industrial cu ultrasunete poate dura aprox. 30–45 min.

Contactați-ne acum! Echipa noastră cu experiență vă va furniza cu plăcere informații tehnice și recomandări legate de proces!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: