Homogenizers – Pracovný princíp, používanie a rozširovanie

Homogenizátory sú typy mixérov, ktoré používajú mechanické sily na miešanie, emulgáciu, rozptyľovanie a rozpúšťanie kvapalných a tuhých kvapalných systémov. V závislosti od rotačného strihu homogenizátorového modelu sa trysky alebo vysokovýkonný ultrazvuk používajú na vytvorenie potrebných síl na rozpad a rozbitie tuhých častíc, ako aj kvapalných kvapôčok. Prečítajte si viac o homogenizačných zariadeniach a ich aplikáciách vo výskume a výrobe!

Čo je homogenizátor?

Homogenizátor je trieda miešacích zariadení, ktorá je navrhnutá tak, aby rozbíjala častice, tuhé aj kvapalné, na jednotnú zmes. Homogenizátory sú k dispozícii ako laboratórne, stolové a priemyselné zariadenia používané pre rôzne aplikácie vo výskume a priemysle. Typická aplikácia homogenizátora zahŕňa miešanie a rozpad rôznych materiálov, vrátane častíc, pigmentov, chemikálií, rastlín, potravín, buniek, tkanív, okrem iného.

Prehľad rôznych typov homogenizátorov

Rôzne typy homogenizérov sú komerčne k dispozícii na použitie v stolovej a priemyselnej veľkoplošnej výrobe. Avšak rotor / stator (koloidné) mixéry, vysokotlakové homogenizátory a ultrazvukové homogenizátory sú najpoužívanejšie modely.
Miešačky obežného kolesa alebo čepele majú rotujúcu čepeľ, ktorá sa otáča vysokou rýchlosťou v spodnej časti miešacej nádoby, čím kombinuje rôzne materiály do homogénnej zmesi.
Ako názov rotor/stator mixér už znamená, že rotor/stator mixér má rotor a komponent statora. Rotor je kovový hriadeľ, ktorý sa otáča vysokou rýchlosťou vo vnútri statora. Stator je kovová časť, ktorá zostáva nehybná. Rotácia rotora vytvára sací efekt, ktorý pohybuje tuhý kvapalný materiál medzi statorom a rotorom, kde sa tuhé látky redukujú na menšiu veľkosť častíc.
Pracovná zásada vysokotlakový homogenizátor (HPH) je založený na použití vysokotlakového čerpadla a ventilu (tryska, otvor), čo robí zariadenie veľkým, ťažkým a drahým. Spracovaná suspenzia je nútená s vysokou rýchlosťou prietoku cez malý otvor, ktorý znižuje veľkosť častíc, pretože častice vyžadujú určitú malú veľkosť, aby mohli prejsť ventilom. Najmä pri spracovaní pevných látok sú HPH náchylné na upchatie.
Ultrazvukové homogenizers použite vysoké šmykové sily generované akustickou kavitáciou, čo im dáva rôzne výhody oproti iným homogenizačným technikám. Pracovný princíp a výhody ultrazvukovej homogenizácie sú uvedené nižšie.

Ultrazvuk s vysokým výkonom ako homogenizačná sila

Ultrazvukový homogenizátor používa ultrazvukové vibrácie s vysokou intenzitou a kavitáciu na vytvorenie veľmi intenzívnych šmykových síl, a preto sa môže nazývať super intenzívnym vysoko šmykovým mixérom. Tajomstvom super intenzívnych vysoko šmykových síl je akustická kavitácia, ktorá je generovaná vysoko výkonnými ultrazvukovými vlnami. Ultrazvukový homogenizátor má generátor, ktorý je napájacou a riadiacou jednotkou a prevodníkom. Sonda obsahuje piezoelektrickú keramiku. Tieto piezoelektrické keramiky premieňajú elektrickú energiu na osciláciu, pretože piezoelektrické kryštály menia svoju veľkosť a tvar pri použití napätia. Keď sa frekvencia elektronického oscilátora rovná prirodzenej frekvencii piezoelektrického kremeňa, dochádza k rezonancii. V rezonančných podmienkach kremenný vytvára pozdĺžne ultrazvukové vlny veľkej amplitúdy.
Generované ultrazvukové vlny sú potom spojené ultrazvukovou sondou (sonotróda / roh) do procesného média. Amplitúda na ultrazvukovej sonde určuje intenzitu ultrazvukových vĺn, ktoré sa prenášajú do kvapaliny alebo kalu. Ultrazvukové vlny generujú striedavé vysokotlakové a nízkotlakové cykly v kvapalných médiách. Počas nízkotlakového cyklu, vysoko intenzívne ultrazvukové vlny produkujú malé vákuové bubliny v kvapaline. Počas vysokotlakového cyklu sa malé vákuové bubliny deštruktívne zrútia. Tento jav sa nazýva kavitácia. Implózia kavitačných bublín môže tiež generovať kvapalné trysky s vysokou rýchlosťou až 280 m / s, čo vedie k silným šmykovým silám. Šmykové sily rozbíjajú častice, spôsobujú kolíziu medzi časticami a mechanicky narúšajú kvapôčky a bunky, čo zároveň podporuje vysoko efektívny prenos hmoty. Tieto kavitačné sily produkujú rovnomerné a homogénne disperzie, emulzie a suspenzie a je tiež známe, že podporujú chemické reakcie (tzv. sonochemistry).

Akustická kavitácia (generovaná vysokovýkonným ultrazvukom) vytvára lokálne extrémne podmienky, takzvané sonomechanické a sonchemické účinky. Vďaka týmto účinkom ultrazvukom znižuje tuhé a kvapalné častice a mieša ich do homogénnej formulácie.

Ultrazvukové homogenizers – Výhody

Ultrazvukové homogenizátory sú vynikajúce, pokiaľ ide o výrobu pevnej kvapaliny (tzv. kaly) a tekutých tekutých suspenzií a roztokov. Vzhľadom k tomu, ultrasonicators používať pracovný princíp ultrazvukovej kavitácie, materiál by mal byť mokrý alebo vo vlhkej fáze, pretože kavitácia sa vyskytuje len v kvapaline. To znamená, že ultrasonicator by nebol veľmi účinný pri miešaní suchého prášku, ale akonáhle sa prášok navlhčí, ultrazvukom je najefektívnejšou metódou pre miešanie. Ultrazvukové homogenizátory sú dobre známe, že spoľahlivo miešať, miešať a rozptýliť aj pasty a vysoko viskózne materiály. Mimoriadne intenzívne sily spôsobené implóziou kavitačných bublín vytvárajú nielen veľmi silné vysoké šmykové sily, ale aj lokálne obmedzené vysoké teploty a tlaky, ako aj príslušné diferenciály. Táto kombinácia fyzikálnych síl narušuje častice na oveľa menšie veľkosti ako konvenčný homogenizátor. Preto sú ultrazvukové homogenizátory preferovaným zariadením pre spoľahlivú výrobu nano-veľkých emulzií a disperzií.

Aplikácie ultrazvukových homogenizátorov

Ultrazvukové homogenizátory sú široko používané v laboratórnych a priemyselných zariadeniach na homogenizáciu solid-liquid a kvapalných kvapalných suspenzií, zníženie veľkosti častíc, narušenie a extrakciu biologického materiálu, zintenzívnenie chemických reakcií a rozpustenie rozpustných zlúčenín.

Ultrazvukový emulsification

Emulgácia je proces miešania dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalín dohromady s cieľom pripraviť stabilnú alebo polostabilnú zmes. Všeobecne platí, že tieto dve kvapaliny pozostávajú z olejovej fázy a vodnej (vodnej) fázy. Na stabilizáciu zmesi rôznych kvapalných fáz sa pridá emulgátor (povrchovo aktívna látka / ko-povrchovo aktívna látka). Veľkosť kvapôčok emulzie hrá kľúčovú úlohu, pokiaľ ide o funkčnosť a stabilitu emulzie. Vzhľadom k tomu, výkon-ultrazvuk vytvára sonomechanické sily, ktoré rozdeľujú kvapôčky a redukujú ich na minútové kvapôčky, ultrazvukom je veľmi populárna metóda pre výrobu mikrónov a nano-emulzií. Ultrazvukové homogenizátory sú spoľahlivým nástrojom na výrobu O / W a W / O emulzií, inverzných emulzií, dvojitých emulzií (O / W / O, W / O / W ), mini-emulzií, ako aj Pickering emulzií. Na základe tejto flexibility a spoľahlivej emulgačnej kapacity sa ultrazvukové homogenizátory (niekedy nazývané aj ultrazvukové emulgátory, keď sa používajú na emulgáciu) používajú napr. v chemickom, potravinárskom, farmaceutickom a palivovom priemysle na výrobu dlhodobých stabilných emulzií.
Kliknutím na nasledujúce odkazy sa dozviete viac o Nano-emulzie, a Pickering emulzie!

ultrazvukové Dispersion

Ultrazvukové homogenizátory sú veľmi účinné, keď častice aglomeráty, agregáty a dokonca aj primárne častice musia byť spoľahlivo znížené vo veľkosti. Výhodou ultrazvukových homogenizátorov je ich schopnosť frézovať častice na menšie a rovnomernejšie veľkosti častíc, či už sú mikróny alebo nano-častice cielené ako výsledok procesu. Kavitačné šmykové sily a kvapalné prúdy urýchľujú častice tak, aby sa navzájom zrazili. Toto sa nazýva medzistranícka kolízia. Samotné častice pôsobia ako frézovacie médium, ktoré zabraňuje kontaminácii mletím korálkov a následným procesom separácie, ktorý je potrebný pri použití konvenčných korálkov. Vzhľadom k stretu častíc medzičasticami pri veľmi vysokých rýchlostiach až 280 m / s, mimoriadne vysoké sily sa vzťahujú na častice, ktoré sa preto rozpadajú na nepatrné zlomky. Trenie a erózia dávajú týmto fragmentom častíc leštený povrch a rovnomerne tvarovanú formu. Kombinácia šmykových síl a kolízie medzi stranami dáva ultrazvukovej homogenizácii a disperzii výhodnú hranu, ktorá poskytuje vysoko homogénne koloidné suspenzie a disperzie!
Nižšie uvedená sekvencia obrázkov zobrazuje kavitačné sily ultrazvuku na grafitových vločkách.

Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) rámov ilustrujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrasonicator s 3 mm sonotródou. Šípky zobrazujú miesto štiepenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do rozdelenia.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Disperzia a homogenizácia nanomateriálov

Pre emulzie a disperzie je príprava zmesí nano-veľkých rozmerov náročnou úlohou. Väčšina konvenčných homogenizačných a miešacích techník, ako sú miešačky čepelí, korálkové mlyny, vysokotlakové homogenizátory a iné mixéry, sú schopné produkovať častice veľkosti mikrónov, ale nemôžu spoľahlivo rozložiť kvapôčky a tuhé látky až do nano-veľkosti. Je to spôsobené najmä nedostatočnou intenzitou. Napríklad miešačky čepelí neposkytujú dostatok šmyku na lámanie častíc na nano-veľkosť. Korálkové mlyny, iný typ homogenizátora, nemôžu rovnomerne mleť tuhé látky na jemnejšiu veľkosť častíc ako samotné korálky (brúsne médiá). Konvenčné brúsne korálky majú priemernú veľkosť medzi 1 500 mm – 35 000 mm. Ďalším problémom je kontaminácia opotrebením frézovacieho média opotrebením. Vzhľadom k tomu, ultrasonicators poskytujú mimoriadne vysoké, ale presne kontrolovateľné šmykové sily, ultrazvuk kavitácia je preferovaná technika pre spoľahlivú výrobu nano-disperzie a nano-emulzie v laboratóriu (R&D), pilotné a priemyselné nastavenia.

Rozšírenie ultrazvukových homogenizačných procesov

Pri škálovaní z laboratórneho ultrazvukového homogenizátora na pilotný ultrasonicator, a z pilotného systému na plnú výrobu ultrazvukový homogenizátor, scale-up môže byť aplikovaný úplne lineárne! Všetky dôležité parametre procesu, ako je amplitúda, tlak, teplota a čas spracovania, sú udržiavané konštantné, iba povrchová plocha ultrazvukovej sondy a ultrasonicator ako energetický miešač sondy sú zmenšené na väčšie, výkonnejšie jednotky. Lineárna škálovateľnosť ultrazvukových homogenizačných procesov umožňuje získať vo veľkej výrobe rovnaké vysoko kvalitné výsledky ako v laboratórnych a pilotných nastaveniach.

Nájdite najvhodnejší ultrazvukový homogenizátor pre váš proces!

Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný skúsený partner pre ultrazvukové homogenizátory. Všetky Hielscher ultrasonicators sú navrhnuté, vyrobené a testované v našom ústredí v Nemecku predtým, ako ich dodávame našim zákazníkom po celom svete. Hielscher ultrazvukové homogenizátory sú vysoko kvalitné zariadenia charcterized konštantným vysokým výkonom, spoľahlivosťou, robustnosťou a užívateľskou prívetivosťou. Technická sofistikovanosť ultrazvukovej homogenizačnej technológie poskytuje používateľom hielscher zariadenia konkurenčné výhody, ktoré z nich robia lídra na trhu vo svojom odvetví. So širokým sortimentom produktov od laboratórnych a bench-top homogenizátorov, pilotných systémov a plne priemyselných ultrazvukových homogenizátorov pre komerčné produkcie má Hielscher ideálny ultrazvukový miešací systém pre vaše požiadavky. Príslušenstvo potrubia umožňuje ideálne nastavenie ultrazvukového homogenizátora – zodpovedajúce individuálnym potrebám.
Povedzte nám svoje požiadavky a špecifikácie procesu – radi Vám odporučíme najvhodnejší a najefektívnejší ultrazvukový homogenizátor pre vašu aplikáciu!

Vysoká účinnosť s ultrazvukovými homogenizátormi

Vďaka mimoriadnej efektivite procesu, primeraným investičným nákladom, veľmi vysokej energetickej účinnosti a nízkym nákladom na prácu a údržbu, Hielscher ultrazvukové homogenizátory prekonávajú konvenčné homogenizačné techniky a dosahujú rýchlu návratnosť investícií (návratnosť investícií). Často sa ultrazvukový homogenizátor amortizuje v priebehu niekoľkých mesiacov.

Vysokovýkonný ultrazvuk pre priemyselnú homogenizáciu

Amplitúda je najdôležitejším parametrom procesu v ultrazvukom riadených homogenizačných procesoch. Všetky Hielscher ultrasonicators umožňujú presnú kontrolu nad amplitúdou. V závislosti od cieľa procesu môže byť nižšia amplitúda nastavená pre miernejšie podmienky spracovania alebo je zvolená vysoká amplitúda pre ničivejšie výsledky rozptylu. Hielscher Ultrasonics’ priemyselné ultrazvukové procesory môžu dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy do 200 μm sa dajú ľahko nepretržite prevádzkovať pri prevádzke 24/7. 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. Sonotrode (tiež známy ako ultrazvukový roh alebo sonda) a reaktor sú vyrobené z titánu a nehrdzavejúcej ocele, resp. majú čisté geometrie bez otvorov alebo mŕtvych rohov.
Jedinou časťou, ktorá je predmetom opotrebenia, je ultrazvuková sonda, ktorá môže byť nahradená bez výrazného narušenia prevádzky. Sonotróda laboratórneho ultrasonicatora sa mení v priebehu približne 10 minút, zatiaľ čo zmena sonotródy priemyselného ultrazvukového homogenizátora môže trvať približne 30-45 minút.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: