Гомогенизаторы – Принцип работы, использование и масштабирование
Гомогенизаторы — это тип смесителей, которые применяют механические силы для смешивания, эмульгирования, диспергирования и растворения систем жидкость-жидкость и твердое вещество-жидкость. В зависимости от модели гомогенизатора используются вращательные ножницы, форсунки или ультразвук высокой мощности для создания необходимых сил для разрушения и разрушения твердых частиц, а также капель жидкости. Узнайте больше о гомогенизаторах и их применении в исследованиях и производстве!
Что такое гомогенизатор?
Гомогенизатор – это класс смесительных устройств, который предназначен для дробления 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 дезинтеграцию различных материалов, включая частицы, пигменты, химические вещества, растения, продукты питания, клетки, ткани и другие.
Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы узнать больше об гомогенизаторах, ультразвуковой обработке и о том, как вы можете использовать наши ультразвуковые аппараты для вашего технологического процесса!
MultiSonoReactor MSR-4 — это промышленный встраиваемый гомогенизатор мощностью 16 000 Вт для таких требовательных применений, как нанодисперсии и наноэмульсии.
Обзор различных типов гомогенизаторов
В продаже имеются различные типы гомогенизаторов для использования в настольном и промышленном крупносерийном производстве. Тем не менее, роторно-статорные (коллоидные) смесители, гомогенизаторы высокого давления и ультразвуковые гомогенизаторы являются наиболее широко используемыми моделями.
Мешалки с рабочим колесом или лопастями имеют вращающуюся лопасть, которая вращается с высокой скоростью на дне смесительной емкости, тем самым соединяя различные материалы в однородную смесь.
Как уже следует из названия роторно-статорного смесителя, роторно-статорный смеситель состоит из ротора и статорного компонента. Ротор представляет собой металлический вал, который вращается с высокой скоростью 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 частицы уменьшаются до меньшего размера.
Принцип работы гомогенизатора высокого давления (ГТН) основан на использовании насоса высокого давления и клапана (форсунки, диафрагмы), что делает оборудование большим, тяжелым и дорогим. Обрабатываемая суспензия с высокой скоростью потока нагнетается через небольшое отверстие, что уменьшает размер частиц, поскольку частицам требуется определенный небольшой размер для прохождения через клапан. Особенно при переработке твердых частиц ПГН подвержены засорению.
Ультразвуковые гомогенизаторы используют высокие усилия 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 большими сдвиговыми усилиями. Секрет сверхинтенсивных сил сдвига заключается в акустической кавитации, которая генерируется мощными ультразвуковыми волнами. Ультразвуковой гомогенизатор имеет генератор, который является блоком питания и управления, и преобразователь. В состав преобразователя входит пьезоэлектрическая керамика. Эта пьезоэлектрическая керамика преобразует электрическую энергию в колебания, так как пьезоэлектрические кристаллы меняют свой размер и форму при подаче напряжения. Когда частота электронного осциллятора равна собственной частоте пьезоэлектрического кварца, возникает резонанс. В резонансных условиях кварц производит продольные ультразвуковые волны большой амплитуды.
Затем генерируемые ультразвуковые волны связываются с помощью ультразвукового зонда (сонотрод / рупор) в технологическую среду. Амплитуда на ультразвуковом датчике 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 создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки. Во время цикла высокого давления мелкие вакуумные пузырьки разрушают свои силы. Это явление называется кавитацией. Имплозия кавитационных пузырьков также может генерировать струи жидкости с высокой скоростью до 280 м/с, что приводит к мощным силам сдвига. Поперечные силы разрушают частицы, вызывают столкновение между частицами и механически разрушают капли и клетки, способствуя в то же время высокоэффективному массопереносу. Эти кавитационные силы создают 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 ультразвук уменьшает твердые и жидкие частицы и смешивает их в однородную формулу.
Ультразвуковая кавитация на каскадодном преобразователе ультразвуковой аппарат UIP1000hdT (1000 Вт, 20кГц) в стеклянном реакторе. Красный свет снизу используется для улучшения видимости кавитации.
Ультразвуковые гомогенизаторы – Преимущества
Ультразвуковые гомогенизаторы превосходны, когда речь идет о производстве твердо-жидких (так называемых суспензий) и жидкостно-жидких суспензий и растворов. Так как в ультразвуковых аппаратах используется 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 эффективным при смешивании сухого порошка, но как только порошок намокнет, ультразвук станет наиболее эффективным методом смешивания. Ультразвуковые гомогенизаторы хорошо известны тем, что надежно смешивают, смешивают и диспергируют даже пасты и высоковязкие материалы. Необычайно интенсивные силы, вызванные имплозией кавитационных пузырьков, создают не только очень мощные силы большого сдвига, но и локально ограниченные высокие температуры и давления, а также соответствующие дифференциалы. Эта комбинация физических сил разрушает частицы до гораздо меньших размеров, чем в обычном гомогенизаторе. Поэтому ультразвуковые гомогенизаторы являются предпочтительным оборудованием для надежного производства наноразмерных эмульсий и дисперсий.
- Превосходная эффективность
- способен выдавать высокосфокусированную энергию
- Превосходные результаты в микронном и наноизмерении
- для микронных и наноразмерных эмульсий и дисперсий
- любой объем от мл до тонн/час
- Пакетный и поточный
- для однопроходного и рециркуляционного
- Точное управление технологическим процессом
- простое управление
- легкая очистка
- Низкие эксплуатационные расходы
Применение ультразвуковых гомогенизаторов
Ультразвуковые гомогенизаторы широко используются в лабораторных и промышленных помещениях для гомогенизации твердо-жидких и жидкостно-жидких суспензий, уменьшения размера частиц, разрушения и экстракции биологического материала, интенсификации химических реакций и растворения растворимых соединений.
Ультразвуковая эмульгация
Эмульгирование — это процесс смешивания двух или более несмешивающихся жидкостей с целью получения стабильной или полустабильной смеси. В общем случае эти две жидкости состоят из масляной фазы и водной (водной) фазы. Для стабилизации смеси различных жидких фаз добавляют эмульгатор (поверхностно-активное вещество / сопутствующее поверхностно-активное вещество). Размер капель эмульсии играет решающую роль, когда речь идет о функциональности и стабильности эмульсии. Поскольку силовой ультразвук создает сономеханические силы, которые разрушают капли и уменьшают их до мельчайших капель, ультразвук является очень популярным методом производства микронных и наноэмульсий. Ультразвуковые гомогенизаторы являются надежным инструментом для производства М/В и В/О эмульсий, обратных эмульсий, двойных эмульсий (O/W/O, W/O/W), мини-эмульсий, а также эмульсий Пикеринга. Благодаря 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 получения долговременных стабильных эмульсий.
Нажмите на следующие ссылки, чтобы узнать больше о наноэмульсии и Эмульсии Пикеринга!
Ультразвуковая дисперсия
Ультразвуковые гомогенизаторы очень эффективны, когда агломераты, агрегаты и даже первичные частицы должны быть надежно уменьшены в размерах. Преимуществом ультразвуковых гомогенизаторов является их способность измельчать частицы до более мелких и однородных размеров, независимо от того, являются ли микронные или наночастицы целью в качестве технологического результата. Кавитационные сдвиговые силы и потоки жидкости ускоряют частицы так, что они сталкиваются друг с другом. Это известно как столкновение между частицами. Сами частицы выступают в качестве мелющей среды, что позволяет избежать загрязнения измельчающими валиками и последующего процесса сепарации, который необходим при использовании обычных бисерных мельниц. Поскольку частицы сталкиваются при столкновении между частицами на очень высоких скоростях до 280 м/с, к частицам действуют необычайно высокие силы, которые поэтому разбиваются на мельчайшие фракции. Трение и эрозия придают этим фрагментам частиц полированную поверхность и равномерную форму. Сочетание поперечных сил и столкновений между частицами дает ультразвуковой гомогенизации и диспергированию преимущественную грань, обеспечивая высокооднородные коллоидные суспензии и дисперсии!
На приведенной ниже последовательности рисунков изображены кавитационные силы ультразвука на графитовых чешуйках.
Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое отслаивание графитовой чешуйки в воде с использованием метода UP200S, ультразвуковой аппарат мощностью 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелками показано место расщепления (отслаивания) с проникновением в раскол кавитационных пузырьков.
© Тюрнина и др., 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Диспергирование 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, бисерные мельницы, гомогенизаторы высокого давления и другие смесители, способны производить частицы микронного размера, но они не могут надежно разбивать капли и твердые частицы до наноразмера. В основном это связано с недостаточной интенсивностью. Например, лопастные смесители не обеспечивают достаточного сдвига для дробления частиц до наноразмера. Бисерные мельницы, еще один тип гомогенизатора, не могут измельчать твердые частицы равномерно до более мелкого размера, чем сами гранулы (мелющие тела). Обычные шлифовальные валики имеют средний размер от 1 500 мм – 35 000 мм. Еще одной проблемой является загрязнение из-за износа мелирующей среды. Поскольку ультразвуковые аппараты обеспечивают чрезвычайно высокие, но точно контролируемые силы сдвига, ультразвуковая кавитация является предпочтительным методом для надежного производства нанодисперсий и наноэмульсий в лабораторных условиях (R&D), пилотные и промышленные установки.
Ультразвуковые дисперсии демонстрируют равномерное распределение частиц по размерам с однородно восстановленными частицами. Кривые показывают распределение частиц диоксида кремния до ультразвука (зеленая кривая) и после ультразвукового диспергирования (красная кривая).
Масштабирование процессов ультразвуковой гомогенизации
При масштабировании от лабораторного ультразвукового гомогенизатора к пилотному ультразвуковому аппарату, а также 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 датчика и ультразвукового датчика в качестве энергетической мешалки зонда масштабируется до более крупных и мощных единиц. Линейная масштабируемость процессов ультразвуковой гомогенизации позволяет получать на крупном производстве такие же высококачественные результаты, как и в лабораторных и пилотных условиях.
Найдите наиболее подходящий ультразвуковой гомогенизатор для вашего технологического процесса!
Hielscher Ultrasonics - ваш давний опытный партнер в области ультразвуковых гомогенизаторов. Все ультразвуковые аппараты Hielscher разрабатываются, производятся и тестируются в нашем головном офисе в Германии, прежде чем мы отправляем их нашим клиентам по всему миру. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher – это высококачественные устройства, отличающиеся неизменной высокой производительностью, надежностью, прочностью и удобством в использовании. Техническая сложность технологии ультразвуковой гомогенизации дает пользователям оборудования Hielscher конкурентные преимущества, которые делают их лидером рынка в своей отрасли. Благодаря широкому ассортименту продукции от лабораторных и настольных гомогенизаторов, пилотных систем и полностью промышленных ультразвуковых гомогенизаторов для коммерческого производства, Hielscher предлагает идеальную ультразвуковую систему смешивания для ваших требований. Принадлежности коллектора позволяют идеально настроить ультразвуковой гомогенизатор – Соответствие индивидуальным потребностям.
Сообщите нам о своих технологических требованиях и спецификациях – Мы с удовольствием порекомендуем Вам наиболее подходящий и эффективный ультразвуковой гомогенизатор для Вашего применения!
Высокая эффективность использования ультразвуковых гомогенизаторов
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 окупаемости инвестиций (ROI). Зачастую ультразвуковой гомогенизатор окупается 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 выбрана высокая амплитуда для более разрушительных результатов диспергирования. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Низкие требования к техническому обслуживанию ультразвуковых гомогенизаторов
Ультразвуковые гомогенизаторы не только легко чистятся, но и являются единственными компонентами, которые являются влажными частями и контактируют с обрабатываемым материалом. Сонотрод (также известный как ультразвуковой рупор или зонд) и реактор изготовлены из титана и нержавеющей стали соответственно и имеют чистую геометрию без отверстий и мертвых углов.
Единственной деталью, которая подвержена износу, является ультразвуковой датчик, который может быть заменен без существенного нарушения работы. Замена сонотрода лабораторного ультразвука происходит в течение примерно 10 минут, в то время как замена сонотрода промышленного ультразвукового гомогенизатора может занять около 30-45 минут.
Свяжитесь с нами прямо сейчас! Наша опытная команда будет рада предоставить техническую информацию и рекомендации по процессам!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| 0от .3 до 60 л | 0от 6 до 12 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Часто задаваемые вопросы о гомогенизаторах
- По какому принципу работает гомогенизатор? Гомогенизатор прикладывает усилия сдвига к жидкостям, суспензиям и суспензиям. Сдвиг уменьшает размер частиц в твердых жидкостных и жидкостных смесях и обеспечивает равномерное распределение частиц по размерам. Гомогенизаторы могут производить стабильные эмульсии или дисперсии.
- По какому принципу происходит процесс гомогенизации? Фундаментальный принцип гомогенизации заключается в приложении механической силы, такой как ультразвуковая вибрация и кавитация, к гетерогенной смеси для разрушения частиц до равномерно мелкого размера, что позволяет получить однородную и стабильную смесь, предотвращающую разделение с течением времени.
- Какова основная цель гомогенизации? Основной целью гомогенизации является повышение стабильности и консистенции продукта за счет уменьшения размера частиц. Этот процесс улучшает физические свойства смеси, такие как вязкость, текстура и срок годности, что делает ее критически важной в пищевой промышленности, фармацевтике и косметике.
Узнайте больше об ультразвуковых гомогенизаторах пищевых продуктов! - Что такое ультразвуковая гомогенизация? При ультразвуковой гомогенизации используются высокочастотные звуковые волны для индуцирования кавитации в жидкой среде, что приводит к возникновению интенсивных сил сдвига, которые разрушают частицы на микроскопическом уровне. Этот метод особенно эффективен для клеточного разрушения, диспергирования наночастиц и эмульгирования.
- Что такое ультразвук для гомогенизации? Ультразвуковая обработка для гомогенизации включает в себя применение ультразвуковой энергии к образцам для достижения тонкого и равномерного смешивания. Этот процесс эффективен для диспергирования, эмульгирования и уменьшения размера частиц в жидкости, широко используется как в исследовательском, так и в промышленном контексте.
- Какие существуют 2 типа методов ультразвуковой обработки? Двумя основными типами методов ультразвуковой обработки являются прямая и непрямая ультразвуковая обработка. Прямая ультразвуковая обработка включает в себя погружение зонда непосредственно в образец, в то время как непрямая ультразвуковая обработка происходит в ванне, где образцы помещаются в контейнер, погруженный в жидкость, благоприятную для ультразвуковой обработки. Прямая ультразвуковая обработка обычно более интенсивна и более эффективна для гомогенизации, чем непрямая ультразвуковая обработка.
Литература / Литература
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.