Homogenizers – Princíp činnosti, používanie a rozširovanie
Homogenizátory sú typom miešačiek, ktoré pôsobia mechanickými silami na miešanie, emulgáciu, dispergáciu a rozpúšťanie systémov kvapalina-kvapalina a pevná látka-kvapalina. V závislosti od modelu homogenizátora sa používajú rotačné nožnice, trysky alebo vysokovýkonný ultrazvuk na vytvorenie potrebných síl na rozpad a rozbitie pevných častíc, ako aj kvapiek kvapaliny. Zistite viac o homogenizačných zariadeniach a ich aplikáciách vo výskume a výrobe!
Čo je to homogenizátor?
Homogenizátor je trieda zmiešavacích zariadení, ktorá je určená na rozbitie častíc, pevných aj kvapalných, na rovnomernú zmes. Homogenizátory sú k dispozícii ako laboratórne, stolové a priemyselné zariadenia používané na rôzne aplikácie vo výskume a priemysle. Typické použitie homogenizátora zahŕňa miešanie a rozklad rôznych materiálov vrátane častíc, pigmentov, chemikálií, rastlín, potravín, buniek, tkanív a ďalších.
Kontaktujte nás, aby ste sa dozvedeli viac o homogenizátoroch, sonikácii a o tom, ako môžete použiť naše sonikátory pre svoj proces!
MultiSonoReactor MSR-4 je priemyselný inline homogenizátor s výkonom 16 000 wattov ultrazvukom pre náročné aplikácie, ako sú nanodisperzie a nanoemulzie.
Prehľad rôznych typov homogenizátorov
Rôzne typy homogenizátorov sú komerčne dostupné na použitie v stolovej a priemyselnej veľkovýrobe. Najpoužívanejšími modelmi sú však miešačky rotora/statora (koloidné), vysokotlakové homogenizátory a ultrazvukové homogenizátory.
Obežné alebo lopatkové miešačky majú rotačnú čepeľ, ktorá sa otáča vysokou rýchlosťou na dne zmiešavacej nádoby, čím sa spájajú rôzne materiály do homogénnej zmesi.
Ako už názov miešačky rotora/statora napovedá, mixér rotora/statora má rotor a statorový komponent. Rotor je kovový hriadeľ, ktorý sa otáča vysokou rýchlosťou v statore. Stator je kovová časť, ktorá zostáva nehybná. Otáčanie rotora vytvára sací efekt, ktorý pohybuje pevno-kvapalným materiálom medzi statorom a rotorom, kde sa pevné látky redukujú na menšiu veľkosť častíc.
Princíp činnosti vysokotlakového homogenizátora (HPH) je založený na použití vysokotlakového čerpadla a ventilu (dýza, clona), vďaka čomu je zariadenie veľké, ťažké a drahé. Spracovaná suspenzia je tlačená vysokou rýchlosťou prúdenia cez malý otvor, ktorý znižuje veľkosť častíc, pretože častice vyžadujú určitú malú veľkosť, aby prešli ventilom. Najmä pri spracovaní pevných látok sú HPH náchylné na upchávanie.
Ultrazvukové homogenizátory využívajú vysoké šmykové sily generované akustickou kavitáciou, čo im dáva rôzne výhody oproti iným homogenizačným technikám. Princíp činnosti a výhody ultrazvukovej homogenizácie sú uvedené nižšie.
Vysokovýkonný ultrazvuk ako homogenizačná sila
Ultrazvukový homogenizátor využíva ultrazvukové vibrácie a kavitáciu s vysokou intenzitou na vytvorenie veľmi intenzívnych šmykových síl, a preto ho možno nazvať superintenzívnym mixérom s vysokým strihom. Tajomstvom superintenzívnych šmykových síl je akustická kavitácia, ktorá je generovaná vysokovýkonnými ultrazvukovými vlnami. Ultrazvukový homogenizátor má generátor, ktorý je napájacou a riadiacou jednotkou, a prevodník. Prevodník obsahuje piezoelektrickú keramiku. Táto piezoelektrická keramika premieňa elektrickú energiu na osciláciu, pretože piezoelektrické kryštály menia svoju veľkosť a tvar pri privedení napätia. Keď sa frekvencia elektronického oscilátora rovná vlastnej frekvencii piezoelektrického kremeňa, dôjde k rezonancii. Za rezonančných podmienok kremeň vytvára pozdĺžne ultrazvukové vlny s veľkou amplitúdou.
Generované ultrazvukové vlny sa potom spájajú pomocou ultrazvukovej sondy (sonotróda / klaksón) do procesného média. Amplitúda na ultrazvukovej sonde určuje intenzitu ultrazvukových vĺn, ktoré sa prenášajú do kvapaliny alebo suspenzie. Ultrazvukové vlny vytvárajú striedavé vysokotlakové a nízkotlakové cykly v kvapalných médiách. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny v kvapaline. Počas vysokotlakového cyklu sa malé vákuové bubliny deštruktívne zrútia. Tento jav sa nazýva kavitácia. Implózia kavitačných bublín môže tiež vytvárať kvapalné prúdy s vysokou rýchlosťou až 280 m/s, čo má za následok silné šmykové sily. Šmykové sily rozbíjajú častice, spôsobujú zrážku medzi časticami a mechanicky narúšajú kvapôčky a bunky, čím zároveň podporujú vysoko efektívny prenos hmoty. Tieto kavitačné sily vytvárajú rovnomerné a homogénne disperzie, emulzie a suspenzie a je tiež známe, že podporujú chemické reakcie (tzv. sonochémia).
Akustická kavitácia (generovaná vysokovýkonným ultrazvukom) vytvára lokálne extrémne podmienky, tzv. sonomechanické a sonochemické efekty. Vďaka týmto účinkom sonikácia redukuje pevné a kvapalné častice a mieša ich do homogénnej formulácie.
Ultrazvuková kavitácia na kaskatródovej sonde ultrazvuk UIP1000hdT (1000 wattov, 20 kHz) v sklenenom reaktore. Červené svetlo zospodu sa používa na zlepšenie viditeľnosti kavitácie.
Ultrazvukové homogenizátory – Výhody
Ultrazvukové homogenizátory sú vynikajúce, pokiaľ ide o výrobu suspenzí a roztokov tuhých a kvapalných (tzv. Suspenzí) a kvapalno-kvapalných. Pretože ultrazvukové prístroje využívajú princíp činnosti ultrazvukovej kavitácie, materiál by mal byť mokrý alebo vo vlhkej fáze, pretože kavitácia prebieha iba v kvapaline. To znamená, že ultrazvuk by nebol veľmi účinný pri miešaní suchého prášku, ale akonáhle sa prášok navlhčí, sonikácia je najúčinnejšou metódou miešania. Ultrazvukové homogenizátory sú dobre známe tým, že spoľahlivo miešajú, miešajú a rozptyľujú aj pasty a vysoko viskózne materiály. Mimoriadne intenzívne sily spôsobené implóziou kavitačných bublín vytvárajú nielen veľmi silné sily s vysokým šmykom, ale aj lokálne obmedzené vysoké teploty a tlaky, ako aj príslušné diferenciály. Táto kombinácia fyzikálnych síl narúša častice na oveľa menšie veľkosti ako konvenčný homogenizátor. Preto sú ultrazvukové homogenizátory preferovaným zariadením na spoľahlivú výrobu emulzií a disperzií nanoveľkosti.
- vynikajúca účinnosť
- schopný dodávať vysoko sústredenú energiu
- vynikajúce výsledky v mikrónoch a nanohodnotách
- pre emulzie a disperzie mikrónovej a nanoveľkosti
- akýkoľvek objem od ml do ton/h
- Dávka a inline
- pre jednoprechodové a recirkulačné
- presné riadenie procesu
- jednoduchá obsluha
- jednoduché čistenie
- nízka údržba
Aplikácie ultrazvukových homogenizátorov
Ultrazvukové homogenizátory sú široko používané v laboratórnych a priemyselných zariadeniach na homogenizáciu suspenzií tuhá látka-kvapalina a kvapalina-kvapalina, zmenšenie veľkosti častíc, narušenie a extrakciu biologického materiálu, zintenzívnenie chemických reakcií a rozpustenie rozpustných zlúčenín.
Ultrazvuková emulgácia
Emulgácia je proces zmiešania dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalín dohromady s cieľom pripraviť stabilnú alebo polostabilnú zmes. Vo všeobecnosti tieto dve kvapaliny pozostávajú z olejovej fázy a vodnej (vodnej) fázy. Na stabilizáciu zmesi rôznych kvapalných fáz sa pridá emulgátor (povrchovo aktívna látka / kopovrchovo aktívna látka). Veľkosť kvapiek emulzie hrá kľúčovú úlohu, pokiaľ ide o funkčnosť a stabilitu emulzie. Keďže výkonový ultrazvuk vytvára sonomechanické sily, ktoré rozbíjajú kvapôčky a redukujú ich na nepatrné kvapôčky, sonikácia je veľmi populárnou metódou na výrobu mikrónových a nanoemulzií. Ultrazvukové homogenizátory sú spoľahlivým nástrojom na výrobu emulzií O/W a W/O, inverzných emulzií, dvojitých emulzií (O/W/O, W/O/W), miniemulzií, ako aj Pickeringových emulzií. Na základe tejto flexibility a spoľahlivej emulgačnej kapacity sa ultrazvukové homogenizátory (niekedy nazývané aj ultrazvukové emulgátory, ak sa používajú na emulgáciu) používajú napr. v chemickom, potravinárskom, farmaceutickom a palivovom priemysle na výrobu dlhodobo stabilných emulzií.
Kliknutím na nasledujúce odkazy sa dozviete viac o nanoemulzie a Naberacie emulzie!
Ultrazvuková disperzia
Ultrazvukové homogenizátory sú veľmi účinné, keď je potrebné spoľahlivo zmenšiť veľkosť aglomerátov častíc, agregátov a dokonca aj primárnych častíc. Výhodou ultrazvukových homogenizátorov je ich schopnosť rozdrviť častice na menšie a rovnomernejšie veľkosti častíc, či už sú výsledkom procesu mikrónové alebo nanočastice. Kavitačné šmykové sily a prúdy kvapaliny urýchľujú častice tak, že sa navzájom zrážajú. Toto je známe ako kolízia medzi časticami. Samotné častice pôsobia ako mlecie médium, čím sa zabráni kontaminácii mletím guľôčok a následnému procesu separácie, ktorý je potrebný pri použití bežných guľôčkových mlynov. Keďže častice sa zrážajú zrážkou medzi časticami pri veľmi vysokých rýchlostiach až 280 m/s, na častice pôsobia mimoriadne vysoké sily, ktoré sa preto rozpadajú na nepatrné zlomky. Trenie a erózia dodávajú týmto fragmentom častíc leštený povrch a rovnomerne tvarovanú formu. Kombinácia šmykových síl a zrážky medzi časticami dáva ultrazvukovej homogenizácii a disperzii výhodnú hranu poskytujúcu vysoko homogénne koloidné suspenzie a disperzie!
Sekvencia obrázkov nižšie zobrazuje kavitačné sily ultrazvuku na grafitových vločkách.
Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) snímok znázorňujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrazvuk s 3 mm sonotrodou. Šípky ukazujú miesto štiepenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do štiepenia.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Disperzia a homogenizácia nanomateriálov
Pre emulzie aj disperzie je príprava zmesí nanoveľkosti náročnou úlohou. Väčšina konvenčných techník homogenizácie a miešania, ako sú lopatkové miešačky, guľôčkové mlyny, vysokotlakové homogenizátory a iné miešačky, sú schopné produkovať častice veľkosti mikrónov, ale nedokážu spoľahlivo rozbiť kvapôčky a pevné látky až na nanoveľkosť. Je to väčšinou kvôli nedostatočnej intenzite. Napríklad lopatkové miešačky neposkytujú dostatočné strihy na rozbitie častíc na nanoveľkosť. Guľôčkové mlyny, ďalší typ homogenizátora, nemôžu mlieť pevné látky rovnomerne na jemnejšiu veľkosť častíc ako samotné guľôčky (mlecie médium). Bežné brúsne guľôčky majú priemernú veľkosť medzi 1 500 mm – 35 000 mm. Ďalším problémom je kontaminácia mlecieho média opotrebovaním. Keďže ultrazvukové prístroje poskytujú mimoriadne vysoké, ale presne regulovateľné šmykové sily, ultrazvuková kavitácia je preferovanou technikou na spoľahlivú výrobu nanodisperzie a nanoemulzií v laboratóriu (R&D), pilotné a priemyselné nastavenia.
Ultrazvukové disperzie vykazujú rovnomerné rozloženie veľkosti častíc s homogénne redukovanými časticami. Krivky ukazujú distribúciu častíc oxidu kremičitého pred ultrazvukom (zelená krivka) a po ultrazvukovej disperzii (červená krivka).
Rozšírenie ultrazvukových homogenizačných procesov
Pri škálovaní z laboratórneho ultrazvukového homogenizátora na pilotný ultrazvukový homogenizátor a z pilotného systému na plnohodnotný výrobný ultrazvukový homogenizátor je možné škálovanie použiť úplne lineárne! Všetky dôležité parametre procesu, ako je amplitúda, tlak, teplota a čas spracovania, sú udržiavané konštantné, iba povrchová plocha ultrazvukovej sondy a ultrazvuku ako energetického miešadla sondy sú škálované na väčšie a výkonnejšie jednotky. Lineárna škálovateľnosť ultrazvukových homogenizačných procesov umožňuje získať vo veľkej výrobe rovnako kvalitné výsledky ako v laboratórnych a pilotných podmienkach.
Nájdite najvhodnejší ultrazvukový homogenizátor pre váš proces!
Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný skúsený partner pre ultrazvukové homogenizátory. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú navrhnuté, vyrobené a testované v našej centrále v Nemecku predtým, ako ich odošleme našim zákazníkom po celom svete. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher sú vysokokvalitné zariadenia charakterizované konštantným vysokým výkonom, spoľahlivosťou, robustnosťou a užívateľskou prívetivosťou. Technická sofistikovanosť technológie ultrazvukovej homogenizácie poskytuje používateľom zariadení Hielscher konkurenčné výhody, ktoré z nich robia lídra na trhu vo svojom odvetví. Vďaka širokému sortimentu produktov od laboratórnych a stolových homogenizátorov, pilotných systémov a plnohodnotných ultrazvukových homogenizátorov pre komerčnú výrobu má spoločnosť Hielscher ideálny ultrazvukový miešací systém pre vaše požiadavky. Príslušenstvo rozdeľovača umožňuje ideálne nastavenie ultrazvukového homogenizátora – prispôsobenie sa individuálnym potrebám.
Povedzte nám svoje procesné požiadavky a špecifikácie – Radi vám odporučíme najvhodnejší a najúčinnejší ultrazvukový homogenizátor pre vašu aplikáciu!
Vysoká účinnosť pomocou ultrazvukových homogenizátorov
Vďaka mimoriadnej efektívnosti procesov, primeraným investičným nákladom, veľmi vysokej energetickej účinnosti a nízkym nákladom na prácu a údržbu prekonávajú ultrazvukové homogenizátory Hielscher konvenčné homogenizačné techniky a dosahujú rýchlu návratnosť investícií. Ultrazvukový homogenizátor sa často amortizuje v priebehu niekoľkých mesiacov.
Vysokovýkonný ultrazvuk pre priemyselnú homogenizáciu
Amplitúda je najdôležitejším procesným parametrom v homogenizačných procesoch riadených ultrazvukom. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú presnú kontrolu amplitúdy. V závislosti od cieľa procesu je možné nastaviť nižšiu amplitúdu pre miernejšie podmienky spracovania alebo zvoliť vysokú amplitúdu pre deštruktívnejšie výsledky disperzie. Priemyselné sonikátory Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Nízke požiadavky na údržbu ultrazvukových homogenizátorov
Ultrazvukové homogenizátory sa nielen ľahko čistia, pretože sonotróda a reaktor sú jediné zložky, ktoré sú mokrými časťami a dostávajú sa do kontaktu so spracovaným materiálom. Sonotróda (tiež známa ako ultrazvukový klaksón alebo sonda) a reaktor sú vyrobené z titánu a nehrdzavejúcej ocele a majú čistú geometriu bez otvorov alebo mŕtvych rohov.
Jedinou časťou, ktorá podlieha opotrebovaniu, je ultrazvuková sonda, ktorú je možné vymeniť bez výrazného narušenia prevádzky. Sonotróda laboratórneho ultrazvuku sa vymení za cca. 10 min, zatiaľ čo výmena sonotródy priemyselného ultrazvukového homogenizátora môže trvať cca. 30-45 min.
Kontaktujte nás teraz! Náš skúsený tím vám rád poskytne technické informácie a odporúčania týkajúce sa procesov!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 0.3 až 60 l | 06 až 12 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
Často kladené otázky o homogenizátoroch
- Aký je princíp fungovania homogenizátora? Homogenizátor pôsobí šmykovými silami na kvapaliny, suspenzie a suspenzie. Strih znižuje veľkosť častíc zmesí tuhá látka-kvapalina a kvapalina-kvapalina a vytvára rovnomerné rozloženie veľkosti častíc. Homogenizátory môžu produkovať stabilné emulzie alebo disperzie.
- Aký je princíp procesu homogenizácie? Základný princíp homogenizácie zahŕňa pôsobenie mechanickej sily, ako sú ultrazvukové vibrácie a kavitácia na heterogénnu zmes, aby sa častice rozložili na rovnomerne jemnú veľkosť, čím sa dosiahne konzistentná a stabilná zmes, ktorá zabraňuje separácii v priebehu času.
- Aký je primárny účel homogenizácie? Primárnym účelom homogenizácie je zlepšiť stabilitu a konzistenciu produktu zmenšením veľkosti častíc. Tento proces zvyšuje fyzikálne vlastnosti zmesi, ako je viskozita, textúra a trvanlivosť, vďaka čomu je kľúčový pri spracovaní potravín, farmaceutickom priemysle a kozmetike.
Prečítajte si viac o ultrazvukových homogenizátoroch potravín! - Čo je ultrazvuková homogenizácia? Ultrazvuková homogenizácia využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na vyvolanie kavitácie v kvapalnom médiu, čo vedie k intenzívnym šmykovým silám, ktoré rozkladajú častice na mikroskopickej úrovni. Táto metóda je obzvlášť účinná pri bunkovom narušení, disperzii nanočastíc a emulgácii.
- Čo je sonikácia na homogenizáciu? Sonikácia na homogenizáciu zahŕňa aplikáciu ultrazvukovej energie na vzorky na dosiahnutie jemného a rovnomerného miešania. Tento proces je účinný na rozptýlenie, emulgáciu a zmenšenie veľkosti častíc v tekutine, ktorý sa široko používa vo výskume aj v priemyselnom kontexte.
- Aké sú 2 typy metód sonikácie? Dva základné typy metód sonikácie sú priama a nepriama sonikácia. Priama sonikácia zahŕňa ponorenie sondy priamo do vzorky, zatiaľ čo nepriama sonikácia prebieha vo vani, kde sa vzorky umiestnia do nádoby ponorenej v tekutine vhodnej pre sonikaciu. Priama sonikácia je zvyčajne intenzívnejšia a účinnejšia na homogenizáciu ako nepriama sonikácia.
Literatúra / Referencie
- 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.