Гомогенизаторы – принцип работы, применение и масштабирование

Гомогенизаторы – это тип смесителей, которые используют механические силы для смешивания, эмульгирования, диспергирования и растворения в системах «жидкость–жидкость» и «твёрдое вещество–жидкость». В зависимости от модели гомогенизатора для создания сил, необходимых для разрушения и измельчения твёрдых частиц, а также капель жидкости, используются сдвиг при вращении, сопла или ультразвук высокой мощности. Узнайте больше о гомогенизаторах и их применении в исследованиях и производстве!

Что такое гомогенизатор?

Гомогенизатор относится к классу смесительных устройств, предназначенных для измельчения как твёрдых частиц, так и капель жидкости с получением однородной смеси. Гомогенизаторы выпускаются в виде лабораторного, настольного и промышленного оборудования для различных применений в исследованиях и промышленности. К типичным применениям гомогенизаторов относятся смешивание и разрушение различных материалов, включая частицы, пигменты, химические вещества, растения, пищевые продукты, клетки, ткани и другие материалы.

Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о гомогенизаторах, обработке ультразвуком и возможностях применения наших ультразвуковых аппаратов в вашем процессе!

Обзор различных типов гомогенизаторов

В продаже доступны различные типы гомогенизаторов для настольных установок и крупномасштабного промышленного производства. Однако наиболее широко применяются роторно-статорные (коллоидные) смесители, гомогенизаторы высокого давления и ультразвуковые гомогенизаторы.
Смесители с импеллером или лопастями имеют вращающуюся лопасть, которая вращается с высокой скоростью на дне смесительной ёмкости, соединяя различные материалы в однородную смесь.
Как следует из названия роторно-статорного смесителя, он имеет ротор и статор. Ротор представляет собой металлический вал, который вращается с высокой скоростью внутри статора. Статор – это металлическая деталь, которая остаётся неподвижной. Вращение ротора создаёт эффект всасывания, перемещающий материал системы «твёрдое вещество–жидкость» между статором и ротором, где твёрдые вещества измельчаются до частиц меньшего размера.
Принцип работы гомогенизатора высокого давления (HPH) основан на использовании насоса высокого давления и клапана (сопла, отверстия), что делает оборудование большим, тяжёлым и дорогим. Обрабатываемая суспензия с высокой скоростью потока продавливается через небольшое отверстие, что уменьшает размер частиц, поскольку для прохождения через клапан частицы должны иметь определённый малый размер. HPH склонны к засорению, особенно при обработке твёрдых веществ.
Ультразвуковые гомогенизаторы используют интенсивные сдвиговые силы, создаваемые акустической кавитацией, что даёт им ряд преимуществ перед другими методами гомогенизации. Принцип работы и преимущества ультразвуковой гомогенизации представлены ниже.

Ультразвук высокой мощности как сила для гомогенизации

Ультразвуковой гомогенизатор использует ультразвуковые колебания высокой интенсивности и кавитацию для создания очень интенсивных сдвиговых сил, поэтому его можно назвать сверхинтенсивным смесителем с высоким сдвигом. Секрет сверхинтенсивных сдвиговых сил заключается в акустической кавитации, создаваемой ультразвуковыми волнами высокой мощности. Ультразвуковой гомогенизатор имеет генератор, который служит источником питания и блоком управления, и преобразователь. Преобразователь содержит пьезоэлектрическую керамику. Эта пьезоэлектрическая керамика преобразует электрическую энергию в колебания, поскольку пьезоэлектрические кристаллы изменяют размер и форму при приложении напряжения. Когда частота электронного генератора колебаний равна собственной частоте пьезоэлектрического кварца, возникает резонанс. В условиях резонанса кварц создаёт продольные ультразвуковые волны большой амплитуды.
Затем созданные ультразвуковые волны передаются через ультразвуковой зонд (сонотрод / рупор) в обрабатываемую среду. Амплитуда на ультразвуковом зонде определяет интенсивность ультразвуковых волн, передаваемых в жидкость или суспензию. Ультразвуковые волны создают в жидких средах чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки. Во время цикла высокого давления небольшие вакуумные пузырьки разрушительно схлопываются. Это явление называется кавитацией. Схлопывание кавитационных пузырьков также может создавать струи жидкости с высокой скоростью до 280 m/s, что приводит к возникновению мощных сдвиговых сил. Сдвиговые силы разрушают частицы, вызывают столкновения между частицами и механически разрушают капли и клетки, одновременно способствуя высокоэффективному массопереносу. Эти кавитационные силы создают равномерные и однородные дисперсии, эмульсии и суспензии, а также, как известно, способствуют химическим реакциям (так называемой сонохимии).

Акустическая кавитация (создаваемая ультразвуком высокой мощности) создаёт локальные экстремальные условия, так называемые сономеханические и сонохимические эффекты. Благодаря этим эффектам обработка ультразвуком уменьшает размер твёрдых частиц и капель жидкости и смешивает их в однородную композицию.

Преимущества использования ультразвуковых аппаратов в качестве гомогенизаторов

Ультразвуковые гомогенизаторы превосходят другие методы при получении суспензий и растворов типа «твёрдое вещество–жидкость» (так называемых шламов) и «жидкость–жидкость». Поскольку ультразвуковые аппараты работают по принципу ультразвуковой кавитации, материал должен быть влажным или находиться во влажной фазе, так как кавитация возникает только в жидкости. Это означает, что ультразвуковой аппарат не будет очень эффективен при смешивании сухого порошка, однако, как только порошок смачивается, обработка ультразвуком становится наиболее эффективным методом смешивания. Ультразвуковые гомогенизаторы известны своей способностью надёжно перемешивать, смешивать и диспергировать даже пасты и высоковязкие материалы. Чрезвычайно интенсивные силы, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, создают не только очень мощные сдвиговые силы, но и локально ограниченные высокие температуры и давления, а также соответствующие перепады. Это сочетание физических сил разрушает частицы до гораздо меньших размеров, чем обычный гомогенизатор. Поэтому ультразвуковые гомогенизаторы являются предпочтительным оборудованием для надёжного получения эмульсий и дисперсий наноразмерного масштаба.

Применение ультразвуковых гомогенизаторов

Ультразвуковые гомогенизаторы широко используются в лабораториях и на промышленных предприятиях для гомогенизации суспензий типа «твёрдое вещество–жидкость» и «жидкость–жидкость», уменьшения размера частиц, разрушения и экстракции биологического материала, интенсификации химических реакций и растворения растворимых соединений.

Ультразвуковое эмульгирование

Эмульгирование – это процесс смешивания двух или более несмешивающихся жидкостей для получения стабильной или полустабильной смеси. Как правило, эти две жидкости представляют собой масляную фазу и водную фазу. Для стабилизации смеси различных жидких фаз добавляют эмульгатор (поверхностно-активное вещество / со-ПАВ). Размер капель эмульсии играет решающую роль в её функциональности и стабильности. Поскольку ультразвук высокой мощности создаёт сономеханические силы, которые разрушают капли и уменьшают их до мельчайших капелек, обработка ультразвуком является очень популярным методом получения микро- и наноэмульсий. Ультразвуковые гомогенизаторы – надёжный инструмент для получения эмульсий O/W и W/O, обратных эмульсий, двойных эмульсий (O/W/O, W/O/W), миниэмульсий, а также эмульсий Пикеринга. Благодаря этой универсальности и надёжной способности к эмульгированию ультразвуковые гомогенизаторы (которые при использовании для эмульгирования иногда также называют ультразвуковыми эмульгаторами) применяются, например, в химической, пищевой, фармацевтической и топливной промышленности для получения эмульсий, стабильных в течение длительного времени.
Перейдите по следующим ссылкам, чтобы узнать больше о наноэмульсиях и эмульсиях Пикеринга!

Ультразвуковое диспергирование

Ультразвуковые гомогенизаторы очень эффективны, когда необходимо надёжно уменьшить размер агломератов, агрегатов и даже первичных частиц. Преимущество ультразвуковых гомогенизаторов заключается в их способности измельчать частицы до меньшего и более однородного размера независимо от того, являются ли целью процесса микрочастицы или наночастицы. Кавитационные сдвиговые силы и потоки жидкости ускоряют частицы, вызывая их столкновения друг с другом. Это явление известно как межчастичные столкновения. Сами частицы служат измельчающей средой, что позволяет избежать загрязнения мелющими шариками и последующего процесса отделения, необходимого при использовании обычных бисерных мельниц. Поскольку частицы сталкиваются друг с другом на очень высоких скоростях до 280m/sec, на них действуют чрезвычайно большие силы, вследствие чего частицы распадаются на мельчайшие фрагменты. Трение и эрозия придают этим фрагментам частиц полированную поверхность и однородную форму. Сочетание сдвиговых сил и межчастичных столкновений даёт ультразвуковой гомогенизации и диспергированию преимущество, обеспечивая получение высокооднородных коллоидных суспензий и дисперсий!
Последовательность изображений ниже показывает воздействие кавитационных сил ультразвука на графитовые чешуйки.

Последовательность кадров высокоскоростной съёмки (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое расслоение графитовой чешуйки в воде с помощью UP200S, ультразвукового аппарата мощностью 200W с сонотродом размером 3 mm. Стрелки показывают место расщепления (расслоения), в которое проникают кавитационные пузырьки.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Диспергирование и гомогенизация наноматериалов

Получение смесей наноразмерного масштаба представляет собой сложную задачу как для эмульсий, так и для дисперсий. Большинство обычных методов гомогенизации и смешивания, использующих, например, лопастные смесители, бисерные мельницы, гомогенизаторы высокого давления и другие смесители, позволяют получать частицы микронного размера, но не могут надёжно измельчать капли и твёрдые вещества до наноразмеров. Это главным образом связано с недостаточной интенсивностью. Например, лопастные смесители не обеспечивают достаточного сдвига для разрушения частиц до наноразмеров. Бисерные мельницы, ещё один тип гомогенизаторов, не могут равномерно измельчать твёрдые вещества до размера частиц меньшего, чем сами шарики (мелющая среда). Обычные мелющие шарики имеют средний размер от 1 500 mm до 35 000 mm. Ещё одной проблемой является загрязнение вследствие износа мелющей среды. Поскольку ультразвуковые аппараты создают чрезвычайно высокие, но при этом точно управляемые сдвиговые силы, ультразвуковая кавитация является предпочтительным методом надёжного получения нанодисперсий и наноэмульсий в лабораторных (НИОКР), пилотных и промышленных установках.

Масштабирование процессов ультразвуковой гомогенизации

При переходе от лабораторного ультразвукового гомогенизатора к пилотному ультразвуковому аппарату и от пилотной системы к ультразвуковому гомогенизатору для полномасштабного производства масштабирование может быть полностью линейным! Все важные параметры процесса, такие как амплитуда, давление, температура и время обработки, остаются постоянными; увеличиваются только площадь поверхности ультразвукового зонда и мощность ультразвукового аппарата, который служит приводом, подающим энергию на зонд, с переходом к более крупным и мощным устройствам. Линейная масштабируемость процессов ультразвуковой гомогенизации позволяет получать в крупномасштабном производстве результаты того же высокого качества, что и в лабораторных и пилотных установках.

Найдите наиболее подходящий ультразвуковой гомогенизатор для вашего процесса!

Hielscher Ultrasonics – ваш партнёр с многолетним опытом в области ультразвуковых гомогенизаторов. Все ультразвуковые аппараты Hielscher разрабатываются, производятся и испытываются в нашей штаб-квартире в Германии, прежде чем мы отправляем их клиентам по всему миру. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher – это высококачественные устройства, отличающиеся неизменно высокой производительностью, надёжностью, прочностью и удобством использования. Техническое совершенство технологии ультразвуковой гомогенизации даёт пользователям оборудования Hielscher конкурентные преимущества, которые делают их лидерами рынка в своей отрасли. Благодаря широкому ассортименту продукции, включающему лабораторные и настольные гомогенизаторы, пилотные системы и полностью промышленные ультразвуковые гомогенизаторы для коммерческого производства, Hielscher предлагает идеальную ультразвуковую смесительную систему для ваших требований. Разнообразные принадлежности позволяют создать идеальную конфигурацию ультразвукового гомогенизатора, соответствующую индивидуальным потребностям.
Сообщите нам требования и технические характеристики вашего процесса – мы с радостью порекомендуем вам наиболее подходящий и эффективный ультразвуковой гомогенизатор для вашей задачи!

Высокая эффективность при использовании ультразвуковых гомогенизаторов

Благодаря исключительной эффективности процесса, разумным инвестиционным затратам, очень высокой энергоэффективности и низким затратам на труд и техническое обслуживание ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher превосходят обычные методы гомогенизации и обеспечивают быстрый возврат инвестиций (RoI). Часто ультразвуковой гомогенизатор окупается в течение нескольких месяцев.

Ультразвук высокой мощности для промышленной гомогенизации

Амплитуда – наиболее важный параметр процесса гомогенизации с применением ультразвука. Все ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают точное управление амплитудой. В зависимости от цели процесса можно установить меньшую амплитуду для более мягких условий обработки или выбрать высокую амплитуду для более интенсивного разрушения при диспергировании. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Работа с амплитудами до 200µm может легко поддерживаться непрерывно в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.

Низкие требования к техническому обслуживанию ультразвуковых гомогенизаторов

Ультразвуковые гомогенизаторы также легко очищать, поскольку сонотрод и реактор – единственные смачиваемые компоненты, контактирующие с обрабатываемым материалом. Сонотрод (также известный как ультразвуковой рупор или зонд) и реактор изготавливаются из титана и нержавеющей стали соответственно и имеют легко очищаемую геометрию без отверстий и застойных углов.
Единственная деталь, подверженная износу, – ультразвуковой зонд, который можно заменить без существенного нарушения работы. Замена сонотрода лабораторного ультразвукового аппарата выполняется примерно за 10 min, тогда как замена сонотрода промышленного ультразвукового гомогенизатора может занять примерно 30–45 min.

Свяжитесь с нами сейчас! Наша опытная команда с радостью предоставит техническую информацию и рекомендации по вашему процессу!

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов: