Гомогенизаторы представляют собой тип смесителей, которые применяют механические силы для смешивания, эмульгирования, диспергирования и растворения жидкостно-жидкостных и твердо-жидкостных систем. В зависимости от модели гомогенизатора вращательный сдвиг, сопла или мощный ультразвук используются для создания необходимых сил для распада и разрушения твердых частиц, а также капель жидкости. Узнайте больше об устройствах гомогенизаторов и их применении в исследованиях и производстве!

Что такое гомогенизатор?

Гомогенизатор - это класс смесительных устройств, который предназначен для расщепления частиц, как твердых, так и жидких, в однородную смесь. Гомогенизаторы доступны в виде лабораторного, настольного и промышленного оборудования, используемого для различных применений в исследованиях и промышленности. Типичное применение гомогенизатора включает смешивание и распад различных материалов, включая частицы, пигменты, химические вещества, растения, продукты питания, клетки, ткани и другие.

Обзор различных типов гомогенизаторов

Различные типы гомогенизаторов коммерчески доступны для использования в настольном и промышленном крупномасштабном производстве. Однако роторно-статорные (коллоидные) смесители, гомогенизаторы высокого давления и ультразвуковые гомогенизаторы являются наиболее широко используемыми моделями.
Крыльчатка или лопастные смесители имеют вращающееся лезвие, которое вращается с высокой скоростью на дне смесительного сосуда, тем самым объединяя различные материалы в однородную смесь.
Как название роторный/статорный смеситель уже подразумевается, что ротор/статорный смеситель имеет ротор и компонент статора. Ротор представляет собой металлический вал, который вращается на высоких скоростях внутри статора. Статор – это металлическая часть, которая остается неподвижной. Вращение ротора создает эффект всасывания, который перемещает твердо-жидкий материал между статором и ротором, где твердые вещества уменьшаются до меньшего размера частиц.
Принцип работы гомогенизатор высокого давления (HPH) основан на использовании насоса высокого давления и клапана (насадка, отверстие), что делает оборудование большим, тяжелым и дорогим. Обработанная суспензия форсируется с высокой скоростью потока через небольшое отверстие, что уменьшает размер частиц, поскольку частицы требуют определенного небольшого размера для прохождения через клапан. Особенно при обработке твердых веществ HPH подвержены засорению.
Ультразвуковые гомогенизаторы используют силы высокого сдвига, создаваемые акустической кавитацией, что дает им различные преимущества по сравнению с другими методами гомогенизации. Принцип работы и преимущества ультразвуковой гомогенизации представлены ниже.

Мощный ультразвук как гомогенизирующая сила

Ультразвуковой гомогенизатор использует высокоинтенсивные ультразвуковые колебания и кавитацию для создания очень интенсивных сил сдвига и поэтому может быть назван сверхинтенсивным смесителем с высоким сдвигом. Секрет сверхинтенсивных сил высокого сдвига заключается в акустической кавитации, которая генерируется мощными ультразвуковыми волнами. Ультразвуковой гомогенизатор имеет генератор, который является блоком питания и управления, и преобразователь. Преобразователь содержит пьезоэлектрическую керамику. Эти пьезоэлектрические керамики преобразуют электрическую энергию в колебания, поскольку пьезоэлектрические кристаллы меняют свой размер и форму при подаче напряжения. Когда частота электронного генератора равна собственной частоте пьезоэлектрического кварца, возникает резонанс. В резонансных условиях кварц производит продольные ультразвуковые волны большой амплитуды.
Генерируемые ультразвуковые волны затем соединяются через ультразвуковой зонд (сонотрод / рупор) в технологическую среду. Амплитуда на ультразвуковом зонде определяет интенсивность ультразвуковых волн, которые передаются в жидкость или суспензию. Ультразвуковые волны генерируют чередующиеся циклы высокого и низкого давления в жидких средах. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности производят небольшие вакуумные пузырьки в жидкости. Во время цикла высокого давления небольшие вакуумные пузырьки разрушаются. Это явление называется кавитацией. Имплозия кавитационных пузырьков может также генерировать струи жидкости с высокой скоростью до 280 м/с, что приводит к мощным силам сдвига. Силы сдвига разрушают частицы, вызывают столкновение между частицами и механически разрушают капли и клетки, способствуя в то же время высокоэффективному массопереносу. Эти кавитационные силы производят однородные и однородные дисперсии, эмульсии и суспензии, а также, как известно, способствуют химическим реакциям (так называемая сонохимия).

Акустическая кавитация (генерируемая мощным ультразвуком) создает локально экстремальные условия, так называемые сономеханические и сонохимические эффекты. Благодаря этим эффектам обработка ультразвуком уменьшает твердые и жидкие частицы и смешивает их в однородный состав.

Ультразвуковые гомогенизаторы – преимущества

Ультразвуковые гомогенизаторы превосходят, когда речь идет о производстве твердо-жидких (так называемых суспензий) и жидко-жидких суспензий и растворов. Поскольку ультразвуковые аппараты используют принцип работы ультразвуковой кавитации, материал должен быть влажным или находиться во влажной фазе, так как кавитация происходит только в жидкости. Это означает, что ультразвуковой аппарат не будет очень эффективен при смешивании сухого порошка, но как только порошок смачивается, обработка ультразвуком является наиболее эффективным методом смешивания. Хорошо известно, что ультразвуковые гомогенизаторы надежно смешивают, смешивают и диспергируют даже пасты и высоковязкие материалы. Чрезвычайно интенсивные силы, вызванные имплозией кавитационных пузырьков, создают не только очень мощные силы с высоким сдвигом, но и локально ограниченные высокие температуры и давления, а также соответствующие дифференциалы. Эта комбинация физических сил разрушает частицы до гораздо меньших размеров, чем обычный гомогенизатор. Поэтому ультразвуковые гомогенизаторы являются предпочтительным оборудованием для надежного производства наноразмерных эмульсий и дисперсий.

Применение ультразвуковых гомогенизаторов

Ультразвуковые гомогенизаторы широко используются в лабораторных и промышленных помещениях для гомогенизации твердо-жидких и жидко-жидких суспензий, уменьшения размера частиц, разрушения и извлечения биологического материала, интенсификации химических реакций и растворения растворимых соединений.

Ультразвуковая эмульсия

Эмульгирование представляет собой процесс смешивания двух или более несмешивающихся жидкостей вместе с целью получения стабильной или полустабильной смеси. В общем, эти две жидкости состоят из масляной фазы и водной (водной) фазы. Для стабилизации смеси различных жидких фаз добавляют эмульгатор (поверхностно-активное вещество/со-поверхностно-активное вещество). Размер капель эмульсии играет решающую роль, когда речь идет о функциональности и стабильности эмульсии. Поскольку силовой ультразвук создает сономеханические силы, которые расщепляют капли и уменьшают их до мельчайших капель, обработка ультразвуком является очень популярным методом получения микрон- и наноэмульсий. Ультразвуковые гомогенизаторы являются надежным инструментом для производства эмульсий O/W и W/O, обратных эмульсий, двойных эмульсий (O/W/O, W/O/W), мини-эмульсий, а также эмульсий Пикеринга. Основываясь на этой гибкости и надежной эмульгирующей способности, ультразвуковые гомогенизаторы (иногда также называемые ультразвуковыми эмульгаторами при использовании для эмульгирования) используются, например, в химической, пищевой, фармацевтической и топливной промышленности для производства долгосрочных стабильных эмульсий.
Нажмите на следующие ссылки, чтобы узнать больше о Нано-Эмульсия, а также Pickering Эмульсия!

Ультразвуковая Дисперсия

Ультразвуковые гомогенизаторы очень эффективны, когда агломераты частиц, агрегаты и даже первичные частицы должны быть надежно уменьшены в размерах. Преимущество ультразвуковых гомогенизаторов заключается в их способности дробить частицы до меньших и более однородных размеров частиц, независимо от того, нацелены ли микронные или наночастицы в результате процесса. Кавитационные силы сдвига и потоки жидкости ускоряют частицы так, что они сталкиваются друг с другом. Это известно как столкновение межчастиц. Сами частицы действуют как фрезерная среда, что позволяет избежать загрязнения при измельчении шариков и последующем процессе разделения, что необходимо при использовании обычных шариковых мельниц. Поскольку частицы сталкиваются в результате столкновения межчастиц на очень высоких скоростях до 280 м / сек, чрезвычайно высокие силы прилагаются к частицам, которые поэтому распадаются на мельчайшие фракции. Трение и эрозия придают этим фрагментам частиц полированную поверхность и однородную форму. Сочетание сил сдвига и столкновения межчастиц дает ультразвуковой гомогенизации и дисперсии преимущество, обеспечивая высокооднородные коллоидные суспензии и дисперсии!
На рисунке ниже изображены кавитационные силы ультразвука на графитовых хлопьях.

Высокоскоростная последовательность (от a до f) кадров, иллюстрирующих соно-механическое отшелушивание графитовой чешуйки в воде с использованием UP200S, ультразвуковой аппарат 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелки показывают место расщепления (отшелушивания) с кавитационными пузырьками, проникающими в раскол.
© Тюрнина и др. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Дисперсия и гомогенизация наноматериалов

Как для эмульсий, так и для дисперсий приготовление наноразмерных смесей является сложной задачей. Большинство традиционных методов гомогенизации и смешивания, таких как лопастные смесители, шариковые мельницы, гомогенизаторы высокого давления и другие смесители, способны производить частицы микронного размера, но они не могут надежно разрушать капли и твердые вещества до наноразмера. В основном это связано с недостаточной интенсивностью. Например, лопастные смесители не обеспечивают достаточного сдвига для разрушения частиц до наноразмера. Бисерные мельницы, еще один тип гомогенизатора, не могут измельчать твердые вещества равномерно до более мелкого размера частиц, чем сами шарики (измельчающие среды). Обычные шлифовальные шарики имеют средний размер от 1 500 мм – 35 000 мм. Еще одной проблемой является загрязнение износом фрезерной среды. Поскольку ультразвуковые аппараты обеспечивают чрезвычайно высокие, но точно контролируемые силы сдвига, ультразвуковая кавитация является предпочтительным методом для надежного производства нанодисперсии и наноэмульсий в лаборатории (R&D), пилотные и промышленные установки.

Масштабирование процессов ультразвуковой гомогенизации

При масштабировании от лабораторного ультразвукового гомогенизатора до пилотного ультразвукового анализатора и от пилотной системы до полномасштабного производственного ультразвукового гомогенизатора масштабирование может быть применено полностью линейно! Все важные параметры процесса, такие как амплитуда, давление, температура и время обработки, остаются постоянными, только площадь поверхности ультразвукового зонда и ультразвукового аппарата в качестве энергетического мешалки зонда масштабируется до более крупных и мощных блоков. Линейная масштабируемость процессов ультразвуковой гомогенизации позволяет получать в крупном производстве такие же качественные результаты, как и в лабораторных и пилотных условиях.

Найдите наиболее подходящий ультразвуковой гомогенизатор для вашего процесса!

Hielscher Ultrasonics - ваш давний опытный партнер по ультразвуковым гомогенизаторам. Все ультразвуковые аппараты Hielscher разрабатываются, производятся и тестируются в нашей штаб-квартире в Германии, прежде чем мы отправим их нашим клиентам по всему миру. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher - это высококачественные устройства, отличающиеся постоянной высокой производительностью, надежностью, прочностью и удобством использования. Техническая сложность технологии ультразвуковой гомогенизации дает пользователям оборудования Hielscher конкурентные преимущества, которые делают их лидерами рынка в своей отрасли. Благодаря широкому ассортименту продукции от лабораторных и настольных гомогенизаторов, пилотных систем и полностью промышленных ультразвуковых гомогенизаторов для коммерческого производства, Hielscher имеет идеальную ультразвуковую систему смешивания для ваших требований. Аксессуары для коллектора обеспечивают идеальную настройку ультразвукового гомогенизатора – соответствие индивидуальным потребностям.
Расскажите нам о своих требованиях и спецификациях к процессу – мы с радостью порекомендуем Вам наиболее подходящий и эффективный ультразвуковой гомогенизатор для Вашего применения!

Высокая эффективность с ультразвуковыми гомогенизаторами

Благодаря исключительной эффективности процесса, разумным инвестиционным затратам, очень высокой энергоэффективности и низким затратам на рабочую силу и техническое обслуживание, ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher превосходят традиционные методы гомогенизации и достигают быстрой roI (return on Investment). Часто ультразвуковой гомогенизатор амортизируется в течение нескольких месяцев.

Мощный ультразвук для промышленной гомогенизации

Амплитуда является наиболее важным параметром процесса в процессах гомогенизации, управляемых ультразвуком. Все ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно контролировать амплитуду. В зависимости от цели процесса может быть установлена более низкая амплитуда для более мягких условий обработки или высокая амплитуда выбрана для более разрушительных результатов дисперсии. Ультразвук Hielscher’ промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечить очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно запущены в 24 / 7 операции. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.

Низкие требования к техническому обслуживанию ультразвуковых гомогенизаторов

Ультразвуковые гомогенизаторы не только легко чистить, так как сонотрод и реактор являются единственными компонентами, которые являются влажными частями и контактируют с обрабатываемым материалом. Сонотрод (также известный как ультразвуковой рог или зонд) и реактор изготовлены из титана и нержавеющей стали соответственно и имеют чистую геометрию без отверстий или мертвых углов.
Единственной частью, которая подвержена износу, является ультразвуковой зонд, который можно заменить без существенного нарушения работы. Сонотрод лаборатора изменяется в течение примерно 10 мин, в то время как смена сонотрода промышленного ультразвукового гомогенизатора может занять около 30-45 мин.

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: