Homogenizatorji – Delovno načelo, uporaba in razsežnost

Homogenizatorji so vrsta mešalcev, ki uporabljajo mehanske sile za mešanje, emulgacijo, razpršitev in raztapljanje tekočih in trdnih tekočih sistemov. Glede na homogenizator model rotacijsko omehčanje, šobe ali ultrazvok visoke moči se uporabljajo za ustvarjanje potrebnih sil za razpad in razkroj trdnih delcev kot tudi tekočih kapljic. Preberite več o homogenizerskih napravah in njihovih aplikacijah v raziskavah in proizvodnji!

Kaj je homogenizer?

Homogenizator je razred mešalnih naprav, ki je namenjen razlomu delcev, tako trdnih kot tekočih, v enotno mešanico. Homogenizatorji so na voljo kot laboratorijska, klopna in industrijska oprema, ki se uporablja za različne aplikacije v raziskavah in industriji. Značilna uporaba homogenizerja med drugim vključuje mešanje in razpad različnih materialov, vključno z delci, pigmenti, kemikalijami, rastlinami, hrano, celicami, tkivi.

Pregled različnih vrst homogenizerjev

Različni tipi homogenizerja so komercialno na voljo za uporabo v proizvodnji na vrhu klopi in industrijski obsežni proizvodnji. Vendar pa so rotor/stator (koloidni) mešalci, visokotlačni homogenizatorji in ultrazvočni homogenizatorji najbolj razširjeni modeli.
Mešalci vsadkov ali rezil imajo rezilo za vrtenje, ki se vrti z veliko hitrostjo na dnu mešalnega plovila in s tem kombinira različne materiale v homogeno zmes.
Kot ime mešalnik rotorja/statorja to že pomeni, da ima mešalnik rotorja/statorja rotor in statorsko komponento. Rotor je kovinski gred, ki se vrti pri visokih hitrostih znotraj statorja. Stator je kovinski del, ki ostaja stacionarni. Vrtenje rotorja ustvarja sesajoč učinek, ki giblje trdno-tekoči material med statorjem in rotorjem, kjer se trdne snovi zmanjšajo na manjšo velikost delcev.
Delovno načelo visokotlačni homogenizer (HPH) temelji na uporabi visokotlačne črpalke in ventila (šoba, odprtica), zaradi česar je oprema velika, težka in draga. Predelana slurry je prisiljena z veliko hitrostjo pretoka skozi majhno odprto, kar zmanjšuje velikost delcev, saj delci zahtevajo določeno majhnost, da lahko gre skozi ventil. Še posebej pri obdelavi trdnih snovi so HPH-ji podvrženi zamašitvi.
Ultrazvočne Homogenizatorji uporabiti visoko štrleče sile, ki nastanejo z akustično kavitacijo, kar jim daje različne prednosti pred drugimi tehnikami homogenizacije. V nadaljevanju so predstavljeni delovni princip in prednosti ultrazvočne homogenizacije.

Ultrazvok visoke moči kot homogenizirajoča sila

Ultrazvočni homogenizer uporablja ultrazvočne vibracije visoke intenzivnosti in kavitacijo za ustvarjanje zelo intenzivnih omejevalnih sil in ga zato lahko imenujemo super intenzivni visoko tresljajev mešalnik. Skrivnost za super intenzivnimi silami visoke skice je akustična kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočni valovi visoke moči. Ultrazvočni homogenizer ima generator, ki je napajalnik in krmilna enota, in pretvornik. Pretvornik vsebuje piezo-električno keramiko. Te piezo-električne keramike pretvorijo električno energijo v nihajo, saj piezoelektrični kristali spremenijo svojo velikost in obliko, ko se nanese napetost. Ko je frekvenca elektronskega oscilatorja enaka naravni frekvenci piezoelektričnega četverica, se pojavi resonanca. V rezonantnih pogojih, četvera proizvaja vzdolžne ultrazvočne valove velike amplitude.
Ustvarjeni ultrazvočni valovi se nato spojijo preko ultrazvočne sonde (sonotrode / roga) v procesni medij. Amplitude na ultrazvočni sondi določa intenzivnost ultrazvočnih valov, ki se prenašajo v tekočino ali slurry. Ultrazvočni valovi ustvarjajo izmenične visokotlačne in nizkotlačne cikle v tekočih medijih. Med nizkotlačno ciklo ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti proizvajajo majhne vakumske mehurčke v tekočini. V ciklu visokega tlaka se majhni vakumski mehurčki destruktivno zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Implozija kavitacijskih mehurčkov lahko ustvari tudi tekoča letala z veliko hitrostjo do 280 m/s, kar ima za posledico močne omejevane sile. Strižne sile zlomijo delce, povzročijo trk med delci in mehansko motijo kapljice in celice, hkrati pa spodbujajo zelo učinkovit prenos mase. Te kavitacijske sile proizvajajo enotne in homogene disperzije, emulzije in vzmetenja, znane pa so tudi po spodbujanju kemičnih reakcij (tako imenovana sonokemija).

Akustična kavitacija (ki jo ustvarja ultrazvok visoke moči) ustvarja lokalno ekstremne pogoje, tako imenovane sonomehanske in sonokemične učinke. Zaradi teh učinkov sonication zmanjšuje trdne in tekoče delce in jih zliva v homogeno formulacijo.

Ultrazvočne Homogenizatorji – prednosti

Ultrazvočni homogenizatorji so superiorni, ko gre za proizvodnjo trdnih tekočin (tako imenovanih slurries) in tekočih-tekočih suspenzije in raztopine. Ker ultrasonicatorji uporabljajo delovno načelo ultrazvočne kavitacije, mora biti material namocen ali v razmoči fazi, saj se kavitacija pojavlja le v tekočini. To pomeni, da ultrasonicator ne bi bil zelo učinkovit pri mešanju suhega prahu, vendar takoj, ko se prah zmoči, sonication je najučinkovitejši način za mešanje. Ultrazvočni homogenizatorji so dobro znani, da zanesljivo mešajo, mešajo in razpršijo tudi paste in visoko viskozno materiale. Izjemno intenzivne sile, ki jih povzroča implozija kavitacijskih mehurčkov, ustvarjajo ne le zelo močne visoko ščipne sile, ampak tudi lokalno omejene visoke temperature in pritiske, kot tudi ustrezne razlikovanja. Ta kombinacija fizičnih sil moti delce do veliko manjših velikosti kot običajni homogenizer. Zato so ultrazvočni homogenizatorji prednostna oprema za zanesljivo proizvodnjo nano-velikih emulzije in disperzije.

Aplikacije ultrazvočnih homogenizatorjev

Ultrazvočni homogenizatorji se pogosto uporabljajo v laboratorijskih in industrijskih objektih za homogenizacijo trdnih tekočin in tekočih-tekočih suspenzije, zmanjšanje velikosti delcev, motnje in ekstrakt biološkega materiala, intenzivne kemične reakcije in raztopi topne spojine.

Ultrasonic emulzifikacija

Emulgiranje je proces mešanja dveh ali več nemogočih tekočin, da se pripravi stabilna ali polstoječa zmes. Na splošno sta ti dve tekočini sestavljeni iz oljne faze in vodne (vodne) faze. Za stabilizacijo mešanice različnih tekočih faz se doda emulgacijski (surfaktant / so-surfaktant). Velikost kapljice emulzije ima ključno vlogo, ko gre za funkcionalnost in stabilnost emulzije. Ker moč-ultrazvok ustvarja sonomehanske sile, ki razčlenijo kapljice und zmanjšajo na minute kapljice, sonication je zelo priljubljena metoda za proizvodnjo mikron- in nano-emulzije. Ultrazvočni homogenizatorji so zanesljivo orodje za proizvodnjo emulzija O/W in W/O, inverznih emulzija, dvojnih emulzija (O/W/O, W/O/W), mini emulzije kot tudi Pickering emulzije. Na podlagi te prilagodljivosti in zanesljive emulgacijske zmogljivosti se uporabljajo ultrazvočni homogenizatorji (včasih imenovani tudi ultrazvočni emulgatorji, kadar se uporabljajo za emulgiranje), npr.
Če želite izvedeti več o tem, kliknite na te povezave Nano-Emulzijein Pickering emulzije!

Ultrazvočni Razpršenost

Ultrazvočni homogenizatorji so zelo izkoščeni, ko je treba strdke delce, agregate in celo primarne delce zanesljivo zmanjšati v velikosti. Prednost ultrazvočnih homogenizatorjev je njihova sposobnost za mletje delcev do manjših in enotnih velikosti delcev, ne glede na to, ali so mikron- ali nano-delci ciljno usmerjeni kot rezultat procesa. Kavitacialne omejevalne sile in tekoči tokovi pospešijo delce, tako da trčijo med seboj. To je znano kot meddelni trk. Delci sami delujejo kot mletni medij, ki se izogne kontaminacijo z mletjem in naslednjim postopkom ločevanja, kar je potrebno pri uporabi običajnih mlinov za bead. Ker se delci spopadajo s trki med delci pri zelo visokih hitrostih do 280m/sek, za delce, ki se zato raztresejo v minutne frakcije, veljajo izredno visoke sile. Trenje in erozija dajeta tem delcim polirano površino in enakomerno oblikovano obliko. Kombinacija strižnih sil in meddelnega trka dajeta ultrazvočno homogenizacijo in disperzijo ugodni rob, ki zagotavlja visoko homogene koloidne vzmetenja in disperzije!
Spodnji slikovni zaporedje prikazuje kavitacialne sile ultrazvoka na grafitnih kosmičih.

Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki prikazujejo sono-mehansko piling grafitnega kosmiča v vodi z uporabo UP200S, ultrasonicator 200W 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepa (pilinga) s kavitacijo mehurčki, ki se penetracijo razcepi.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Disperzija in homogenizacija nanomaterialov

Pri obeh, emulzijah in disperzijah je priprava nano-velikih zmesi zahtevna naloga. Večina običajnih homogenizacijskih in mešalnih tehnik, kot so mešalniki rezil, mlini za krogle, visokotlačni homogenizatorji in drugi mešalniki, lahko proizvajajo delce mikronske velikosti, vendar ne morejo zanesljivo razbiti kapljic in trdnih snovi do nano velikosti. To je večinoma posledica nedvoumne intenzivnosti. Na primer, mešalci rezil ne zagotavljajo dovolj omejev za lomitev delcev na nano velikost. Mlini za kroglice, druga vrsta homogenizerja, ne morejo enakomerno mliniti trdnih snovi do finejših delcev kot kroglice (brusilni mediji) sami. Običajne brusilne celice imajo povprečno velikost med 1.500 mm – 35.000 mm. Drug problem je onesnaženje z nošnjami in solzami rezkalnega medija. Ker ultrasonicatorji zagotavljajo izredno visoke, vendar natančno nadzorovane omejevalni sile, ultrazvočna kavitacija je prednostna tehnika za zanesljivo proizvodnjo nano-disperzije in nano-emulzije v laboratoriju (R&D), pilotne in industrijske natisnjene.

Lestvica ultrazvočnih homogenizacijske procese

Pri dvigovanju od laboratorijskega ultrazvočnega homogenizerja do pilotnega ultrasonicatorja, in od pilotnega sistema do polnega proizvodnega ultrazvočnega homogenizerja, se lahko lestvica up uporablja povsem lineano! Vsi pomembni procesni parametri, kot so amplituda, tlak, temperatura in čas obdelave, so stalno konstantni, le površina ultrazvočne sonde in ultrazvočniktor kot energijski agitator sonde so razmerjeni na večje, močnejše enote. Lineanska skalabilnost ultrazvočnih homogenizacijskih procesov omogoča, da v veliki proizvodnji dobimo enake kakovostne rezultate kot v laboratorijskih in pilotnih nastavitvah.

Poiščite najbolj primeren ultrazvočni homogenizer za vaš proces!

Hielscher Ultrasonics ste že dolgo izkušen partner za ultrazvočne homogenizatorje. Vsi Hielscher ultrasonicatorji so zasnovani, izdelani in preizkušeni v našem sedežu v Nemčiji, preden jih pošiljamo našim strankam po vsem svetu. Hielscher ultrazvočni homogenizatorji so visokokakovostne naprave charcterized z nenehno visoko zmogljivostjo, zanesljivostjo, robustnostjo in prijaznostjo uporabnika. Tehnična prefinjenost ultrazvočne homogenizacije uporabnikom Hielscher opreme daje konkurenčne prednosti, zaradi česar so vodilni na trgu v njihovi industriji. S široko paleto izdelkov iz laboratorija in bench-top homogenizatorjev, pilotnih sistemov in polnoindustrijskih ultrazvočnih homogenizatorjev za komercialno proizvodnjo, Hielscher ima idealen ultrazvočni mešalni sistem za vaše zahteve. Dodatna oprema za razmnoževanje omogoča idealno nastavitev ultrazvočnega homogenizerja – ujemanje posameznih potreb.
Povejte nam vaše zahteve in specifikacije procesa – z veseljem vam bomo priporočili najbolj primeren in učinkovit ultrazvočni homogenizer za vašo aplikacijo!

Visoka učinkovitost z ultrazvočnimi homogenizatorji

Hielscher ultrazvočni homogenizatorji zaradi izjemne učinkovitosti postopka, razumnih stroškov naložb, zelo visoke energetske učinkovitosti in nizkih stroškov dela in vzdrževanja hielscher ultrazvočni homogenizatorji nadmeščajo konvencionalne tehnike homogenizacije in dosegajo hiter roI (Donos naložb). Pogosto se ultrazvočni homogenizer amortizira v nekaj mesecih.

Ultrazvok visoke moči za industrijsko homogenizacijo

Amplituda je najpomembnejši procesni parameter v procesih homogenizacije, ki jih vodi ultrazvok. Vsi Hielscher ultrasonicatorji omogočajo natančna kontrola nad amplitude. Glede na cilj postopka je mogoče določiti nižjo amplitudo za blažje pogoje obdelave ali pa se za bolj destruktivne rezultate disperzije izbere visoka amplituda. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvočni predelovalci lahko dostavijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200μm je mogoče enostavno neprekinjeno izvajati v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi.

Nizke zahteve za vzdrževanje ultrazvočnih homogenizatorjev

Ultrazvočni homogenizatorji niso le enostavni za čiščenje, saj so sonotrode in reaktor edini sestavni deli, ki so močni deli in pridejo v stik s predelanim materialom. Sonotrode (znan tudi kot ultrazvočni rog ali sonda) in reaktor so izdelani iz titana in nerjavečega jekla, oziroma imajo čiste geometrije brez odprtin ali mrtvih kotov.
Edini del, ki je predmet nošnje in solze, je ultrazvočna sonda, ki jo je mogoče zamenjati brez pomembnih motenj v delovanju. Sonotroda laboratorijskega ultrasonicatorja se spremeni v približno 10 min, medtem ko lahko sprememba sonotrode industrijskega ultrazvočnega homogenizerja traja približno 30-45 min.

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: