Homogenizátory – princíp fungovania, použitie a zväčšovanie mierky

Homogenizátory sú typom miešacích zariadení, ktoré pôsobením mechanických síl miešajú, emulgujú, dispergujú a rozpúšťajú systémy kvapalina–kvapalina a tuhá látka–kvapalina. V závislosti od modelu homogenizátora sa na vytvorenie síl potrebných na dezintegráciu a rozrušenie tuhých častíc aj kvapôčok kvapaliny využíva rotačný šmyk, dýzy alebo vysokovýkonný ultrazvuk. Zistite viac o homogenizátoroch a ich využití vo výskume a výrobe!

Čo je homogenizátor?

Homogenizátor patrí do triedy miešacích zariadení určených na rozrušovanie tuhých aj kvapalných častíc s cieľom vytvoriť rovnomernú zmes. Homogenizátory sú dostupné ako laboratórne, stolové a priemyselné zariadenia používané na rôzne účely vo výskume a priemysle. Medzi typické použitia homogenizátorov patrí miešanie a dezintegrácia rôznych materiálov vrátane častíc, pigmentov, chemikálií, rastlín, potravín, buniek, tkanív a ďalších.

Kontaktujte nás a zistite viac o homogenizátoroch, sonikácii a možnostiach využitia našich sonikátorov vo vašom procese!

Prehľad rôznych typov homogenizátorov

Na trhu sú dostupné rôzne typy homogenizátorov na použitie v stolových zariadeniach aj v priemyselnej veľkovýrobe. Najpoužívanejšími modelmi sú však rotorovo-statorové (koloidné) miešače, vysokotlakové homogenizátory a ultrazvukové homogenizátory.
Lopatkové alebo nožové miešače majú rotujúcu lopatku alebo nôž, ktoré sa vysokou rýchlosťou otáčajú na dne miešacej nádoby, čím spájajú rôzne materiály do homogénnej zmesi.
Ako už naznačuje názov rotorovo-statorového miešača, tento miešač má rotorovú a statorovú časť. Rotor je kovový hriadeľ, ktorý sa vysokou rýchlosťou otáča vo vnútri statora. Stator je kovová časť, ktorá zostáva nehybná. Otáčanie rotora vytvára sací účinok, ktorý presúva materiál pozostávajúci z tuhej a kvapalnej fázy medzi stator a rotor, kde sa tuhé látky rozrušujú na menšie častice.
Princíp fungovania vysokotlakového homogenizátora (HPH) je založený na použití vysokotlakového čerpadla a ventilu (dýzy, otvoru), v dôsledku čoho je zariadenie veľké, ťažké a drahé. Spracúvaná suspenzia sa vysokou rýchlosťou prúdenia pretláča cez malý otvor, čím sa zmenšuje veľkosť častíc, pretože na prechod cez ventil musia mať častice určitú malú veľkosť. Najmä pri spracovaní tuhých látok sú HPH náchylné na upchávanie.
Ultrazvukové homogenizátory využívajú vysoké šmykové sily vytvárané akustickou kavitáciou, čo im poskytuje rôzne výhody oproti iným homogenizačným technikám. Princíp fungovania a výhody ultrazvukovej homogenizácie sú uvedené nižšie.

Vysokovýkonný ultrazvuk ako homogenizačná sila

Ultrazvukový homogenizátor využíva ultrazvukové vibrácie vysokej intenzity a kavitáciu na vytváranie veľmi intenzívnych šmykových síl, a preto ho možno označiť za mimoriadne intenzívne miešadlo s vysokým šmykom. Tajomstvom mimoriadne intenzívnych šmykových síl je akustická kavitácia, ktorú vytvárajú vysokovýkonné ultrazvukové vlny. Ultrazvukový homogenizátor má generátor, ktorý slúži ako napájacia a riadiaca jednotka, a menič. Menič obsahuje piezoelektrickú keramiku. Táto piezoelektrická keramika premieňa elektrickú energiu na kmitanie, pretože piezoelektrické kryštály pri privedení napätia menia svoju veľkosť a tvar. Keď sa frekvencia elektronického oscilátora rovná vlastnej frekvencii piezoelektrického kremeňa, nastáva rezonancia. Pri rezonancii kremeň vytvára pozdĺžne ultrazvukové vlny s veľkou amplitúdou.
Vytvorené ultrazvukové vlny sa potom prostredníctvom ultrazvukovej sondy (sonotródy / ultrazvukového rohu) prenášajú do spracovávaného média. Amplitúda na ultrazvukovej sonde určuje intenzitu ultrazvukových vĺn, ktoré sa prenášajú do kvapaliny alebo suspenzie pevných častíc. Ultrazvukové vlny vytvárajú v kvapalných médiách striedajúce sa cykly vysokého a nízkeho tlaku. Počas cyklu nízkeho tlaku vytvárajú ultrazvukové vlny vysokej intenzity v kvapaline malé vákuové bubliny. Počas cyklu vysokého tlaku malé vákuové bubliny deštruktívne kolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Implózia kavitačných bublín môže tiež vytvárať kvapalinové prúdy s vysokou rýchlosťou až 280 m/s, čo vedie k vzniku silných šmykových síl. Šmykové sily rozbíjajú častice, spôsobujú zrážky medzi časticami a mechanicky narúšajú kvapôčky a bunky, pričom zároveň podporujú vysoko účinný prenos hmoty. Tieto kavitačné sily vytvárajú rovnomerné a homogénne disperzie, emulzie a suspenzie a je tiež známe, že podporujú chemické reakcie (takzvanú sonochémiu).

Akustická kavitácia (vytváraná vysokovýkonným ultrazvukom) vytvára lokálne extrémne podmienky, takzvané sonomechanické a sonochemické účinky. Vďaka týmto účinkom sonikácia zmenšuje pevné a kvapalné častice a mieša ich do homogénnej formulácie.

Výhody používania sonikátorov ako homogenizátorov

Ultrazvukové homogenizátory sú špičkovým riešením pri výrobe suspenzií a roztokov v systémoch pevná látka – kvapalina (takzvaných kalov) a kvapalina – kvapalina. Keďže ultrazvukové prístroje využívajú princíp ultrazvukovej kavitácie, materiál by mal byť vlhký alebo vo vlhkej fáze, pretože kavitácia nastáva iba v kvapaline. To znamená, že ultrazvukový prístroj by pri miešaní suchého prášku nebol veľmi účinný, ale hneď ako sa prášok zmáča, sonikácia je najúčinnejšou metódou miešania. Ultrazvukové homogenizátory sú známe tým, že spoľahlivo premiešavajú, zmiešavajú a dispergujú dokonca aj pasty a vysoko viskózne materiály. Mimoriadne intenzívne sily spôsobené implóziou kavitačných bublín vytvárajú nielen veľmi silné šmykové sily, ale aj lokálne ohraničené vysoké teploty a tlaky, ako aj príslušné teplotné a tlakové rozdiely. Táto kombinácia fyzikálnych síl rozbíja častice na oveľa menšie veľkosti než bežný homogenizátor. Preto sú ultrazvukové homogenizátory preferovanými zariadeniami na spoľahlivú výrobu emulzií a disperzií s nanometrovými rozmermi.

Použitie ultrazvukových homogenizátorov

Ultrazvukové homogenizátory sa široko používajú v laboratórnych a priemyselných prevádzkach na homogenizáciu suspenzií typu tuhá látka–kvapalina a kvapalina–kvapalina, zmenšovanie veľkosti častíc, rozrušovanie a extrakciu biologického materiálu, zintenzívňovanie chemických reakcií a rozpúšťanie rozpustných zlúčenín.

Ultrazvuková emulgácia

Emulgácia je proces zmiešavania dvoch alebo viacerých navzájom nemiešateľných kvapalín s cieľom pripraviť stabilnú alebo čiastočne stabilnú zmes. Tieto dve kvapaliny vo všeobecnosti tvoria olejovú fázu a vodnú fázu. Na stabilizáciu zmesi rôznych kvapalných fáz sa pridáva emulgátor (povrchovo aktívna látka / pomocná povrchovo aktívna látka). Veľkosť kvapôčok emulzie zohráva rozhodujúcu úlohu pri jej funkčnosti a stabilite. Keďže výkonový ultrazvuk vytvára sonomechanické sily, ktoré rozbíjajú kvapôčky a zmenšujú ich na veľmi drobné kvapôčky, sonikácia je veľmi obľúbenou metódou výroby mikroemulzií 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. Vďaka tejto flexibilite a spoľahlivej emulgačnej schopnosti sa ultrazvukové homogenizátory (pri použití na emulgáciu niekedy nazývané aj ultrazvukové emulgátory) používajú napríklad v chemickom, potravinárskom, farmaceutickom a palivovom priemysle na výrobu dlhodobo stabilných emulzií.
Kliknutím na nasledujúce odkazy sa dozviete viac o nanoemulziách a Pickeringových emulziách!

Ultrazvuková dispergácia

Ultrazvukové homogenizátory sú veľmi účinné, keď je potrebné spoľahlivo zmenšiť aglomeráty, agregáty a dokonca aj primárne častice. Výhodou ultrazvukových homogenizátorov je ich schopnosť rozomieľať častice na menšie častice s rovnomernejšou veľkosťou bez ohľadu na to, či sú cieľovým výsledkom procesu mikročastice alebo nanočastice. Kavitačné šmykové sily a prúdy kvapaliny urýchľujú častice tak, že do seba navzájom narážajú. Tento jav sa označuje ako medzičasticové zrážky. Samotné častice pôsobia ako mlecie médium, čím sa predchádza kontaminácii mlecími guľôčkami a následnému procesu separácie, ktorý je nevyhnutný pri použití bežných guľôčkových mlynov. Keďže častice pri medzičasticových zrážkach do seba narážajú veľmi vysokými rýchlosťami až 280m/sec, pôsobia na ne mimoriadne veľké sily, v dôsledku ktorých sa rozpadajú na veľmi drobné úlomky. Trenie a erózia dodávajú týmto úlomkom častíc vyleštený povrch a rovnomerný tvar. Kombinácia šmykových síl a medzičasticových zrážok poskytuje ultrazvukovej homogenizácii a dispergácii výhodu v podobe vysoko homogénnych koloidných suspenzií a disperzií!
Nasledujúca séria snímok znázorňuje pôsobenie kavitačných síl ultrazvuku na grafitové vločky.

Vysokorýchlostná séria snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou 200W ultrazvukového prístroja UP200S s 3-mm sonotródou. Šípky označujú miesto štiepenia (exfoliácie), pričom kavitačné bubliny prenikajú do vznikajúcej štrbiny.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispergácia a homogenizácia nanomateriálov

Príprava zmesí s časticami nanometrových rozmerov je náročnou úlohou pri emulziách aj disperziách. Väčšina konvenčných techník homogenizácie a miešania, napríklad lopatkové miešadlá, guľôčkové mlyny, vysokotlakové homogenizátory a iné miešadlá, dokáže vytvárať častice mikrometrových rozmerov, nedokáže však spoľahlivo zmenšiť kvapôčky a tuhé častice na nanometrové rozmery. Je to spôsobené najmä nedostatočnou intenzitou. Napríklad lopatkové miešadlá nevyvolávajú dostatočný šmyk na rozrušenie častíc na nanometrové rozmery. Guľôčkové mlyny, ďalší typ homogenizátora, nedokážu rovnomerne zomlieť tuhé látky na častice menšie než samotné guľôčky (mlecie médium). Bežné mlecie guľôčky majú priemernú veľkosť v rozmedzí 1 500 mm – 35 000 mm. Ďalším problémom je kontaminácia spôsobená opotrebovaním mlecieho média. Keďže sonikátory vytvárajú mimoriadne vysoké, ale zároveň presne regulovateľné šmykové sily, ultrazvuková kavitácia je preferovanou technikou na spoľahlivú výrobu nanodisperzií a nanoemulzií v laboratórnych (výskumných a vývojových), poloprevádzkových a priemyselných zariadeniach.

Prevod procesov ultrazvukovej homogenizácie do väčšej mierky

Pri prechode z laboratórneho ultrazvukového homogenizátora na poloprevádzkový sonikátor a z poloprevádzkového systému na ultrazvukový homogenizátor pre plnú výrobnú prevádzku možno zväčšenie mierky uskutočniť úplne lineárne! Všetky dôležité procesné parametre, ako sú amplitúda, tlak, teplota a čas spracovania, sa udržiavajú konštantné; zväčšuje sa iba plocha povrchu ultrazvukovej sondy a sonikátor ako zdroj energie na rozkmitanie sondy sa nahrádza väčšou, výkonnejšou jednotkou. Lineárna škálovateľnosť procesov ultrazvukovej homogenizácie umožňuje dosahovať vo veľkovýrobe rovnako kvalitné výsledky ako v laboratórnych a poloprevádzkových podmienkach.

Nájdite najvhodnejší ultrazvukový homogenizátor pre svoj proces!

Hielscher Ultrasonics je váš partner s dlhoročnými skúsenosťami v oblasti ultrazvukových homogenizátorov. Všetky sonikátory Hielscher navrhujeme, vyrábame a testujeme v našom sídle v Nemecku predtým, ako ich expedujeme zákazníkom po celom svete. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher sú vysokokvalitné zariadenia, ktoré sa vyznačujú trvalo vysokým výkonom, spoľahlivosťou, robustnosťou a jednoduchým používaním. Technická vyspelosť technológie ultrazvukovej homogenizácie poskytuje používateľom zariadení Hielscher konkurenčné výhody, vďaka ktorým sa stávajú lídrami na trhu vo svojom odvetví. Vďaka širokému sortimentu produktov od laboratórnych a stolových homogenizátorov cez poloprevádzkové systémy až po plne priemyselné ultrazvukové homogenizátory pre komerčnú výrobu má Hielscher ideálny ultrazvukový miešací systém pre vaše požiadavky. Rozmanité príslušenstvo umožňuje ideálnu konfiguráciu ultrazvukového homogenizátora – prispôsobenú individuálnym potrebám.
Oznámte nám svoje procesné požiadavky a špecifikácie – radi vám odporučíme najvhodnejší a najúčinnejší ultrazvukový homogenizátor pre vašu aplikáciu!

Vysoká účinnosť pri použití ultrazvukových homogenizátorov

Vďaka mimoriadnej účinnosti procesu, primeraným investičným nákladom, veľmi vysokej energetickej účinnosti a nízkym nákladom na pracovnú silu a údržbu prekonávajú ultrazvukové homogenizátory Hielscher konvenčné homogenizačné techniky a dosahujú rýchlu návratnosť investície (RoI). Ultrazvukový homogenizátor sa často zaplatí v priebehu niekoľkých mesiacov.

Vysokovýkonný ultrazvuk na priemyselnú homogenizáciu

Amplitúda je najdôležitejším procesným parametrom pri homogenizačných procesoch využívajúcich ultrazvuk. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú presné riadenie amplitúdy. V závislosti od cieľa procesu možno nastaviť nižšiu amplitúdu pre miernejšie podmienky spracovania alebo zvoliť vysokú amplitúdu pre deštruktívnejšie výsledky dispergácie. Priemyselné sonikátory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.

Nízke nároky ultrazvukových homogenizátorov na údržbu

Ultrazvukové homogenizátory sa nielen ľahko čistia, pretože sonotróda a reaktor sú jediné zmáčané súčasti, ktoré prichádzajú do kontaktu so spracovávaným materiálom. Sonotróda (známa aj ako ultrazvukový nástavec alebo sonda) je vyrobená z titánu a reaktor z nehrdzavejúcej ocele a majú jednoduchú geometriu bez otvorov alebo mŕtvych kútov.
Jedinou súčasťou, ktorá podlieha opotrebovaniu, je ultrazvuková sonda, ktorú možno vymeniť bez výrazného prerušenia prevádzky. Sonotróda laboratórneho ultrazvukového prístroja sa vymení za približne 10 min, zatiaľ čo výmena sonotródy priemyselného ultrazvukového homogenizátora môže trvať približne 30–45 min.

Kontaktujte nás teraz! Náš skúsený tím vám rád poskytne technické informácie a odporúčania týkajúce sa procesu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov: