Homogenizatorji – načelo delovanja, uporaba in povečanje merila
Homogenizatorji so vrsta mešalnikov, ki z mehanskimi silami mešajo, emulgirajo, dispergirajo in raztapljajo sisteme tekoče–tekoče in trdno–tekoče. Odvisno od modela homogenizatorja se za ustvarjanje sil, potrebnih za razgradnjo in drobljenje trdnih delcev ter tekočinskih kapljic, uporabljajo rotacijski strig, šobe ali ultrazvok visoke moči. Preberite več o homogenizatorjih in njihovi uporabi v raziskavah in proizvodnji!
Kaj je homogenizator?
Homogenizator spada v skupino mešalnih naprav, zasnovanih za drobljenje trdnih in tekočih delcev v enakomerno zmes. Homogenizatorji so na voljo kot laboratorijska, namizna in industrijska oprema za različne uporabe v raziskavah in industriji. Značilne uporabe homogenizatorjev vključujejo mešanje in razgradnjo različnih materialov, med drugim delcev, pigmentov, kemikalij, rastlin, živil, celic in tkiv.
Obrnite se na nas, če želite izvedeti več o homogenizatorjih, sonikaciji in uporabi naših sonikatorjev v svojem procesu!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski pretočni homogenizator z ultrazvočnimi napravami z močjo 16.000 vatov za zahtevne uporabe, kot so nanodisperzije in nanoemulzije.
Pregled različnih vrst homogenizatorjev
Na trgu so na voljo različne vrste homogenizatorjev za namizno uporabo in obsežno industrijsko proizvodnjo. Najpogosteje uporabljeni modeli pa so mešalniki z rotorjem in statorjem (koloidni mešalniki), visokotlačni homogenizatorji in ultrazvočni homogenizatorji.
Mešalniki z mešalom ali lopaticami imajo vrtljivo lopatico, ki se z veliko hitrostjo vrti na dnu mešalne posode in tako združuje različne materiale v homogeno zmes.
Kot pove že ime mešalnika z rotorjem in statorjem, ima tak mešalnik rotorski in statorski del. Rotor je kovinska gred, ki se z veliko hitrostjo vrti znotraj statorja. Stator je kovinski del, ki miruje. Vrtenje rotorja ustvarja sesalni učinek, ki premika material trdno–tekoče med statorjem in rotorjem, kjer se velikost trdnih delcev zmanjša.
Načelo delovanja visokotlačnega homogenizatorja (HPH) temelji na uporabi visokotlačne črpalke in ventila (šobe, odprtine), zaradi česar je oprema velika, težka in draga. Obdelovana suspenzija se z veliko hitrostjo toka potiska skozi majhno odprtino, kar zmanjša velikost delcev, saj morajo biti delci dovolj majhni, da lahko preidejo skozi ventil. Zlasti pri obdelavi trdnih snovi so HPH nagnjeni k zamašitvam.
Ultrazvočni homogenizatorji uporabljajo močne strižne sile, ki jih ustvarja akustična kavitacija, kar jim daje različne prednosti pred drugimi tehnikami homogenizacije. Načelo delovanja in prednosti ultrazvočne homogenizacije so predstavljeni v nadaljevanju.
Ultrazvok visoke moči kot sila za homogenizacijo
Ultrazvočni homogenizator uporablja ultrazvočne vibracije visoke intenzivnosti in kavitacijo za ustvarjanje zelo intenzivnih strižnih sil, zato ga lahko imenujemo tudi izjemno intenziven mešalnik z močnim strigom. Skrivnost izjemno intenzivnih strižnih sil je akustična kavitacija, ki jo ustvarjajo ultrazvočni valovi visoke moči. Ultrazvočni homogenizator ima generator, ki je napajalna in krmilna enota, ter pretvornik. Pretvornik vsebuje piezoelektrično keramiko. Ta piezoelektrična keramika pretvarja električno energijo v nihanje, saj piezoelektrični kristali ob priključitvi napetosti spremenijo velikost in obliko. Ko je frekvenca elektronskega oscilatorja enaka lastni frekvenci piezoelektričnega kremena, nastopi resonanca. V resonančnih razmerah kremen ustvarja vzdolžne ultrazvočne valove z veliko amplitudo.
Ustvarjeni ultrazvočni valovi se nato prek ultrazvočne sonde (sonotrode / roga) sklopijo v procesni medij. Amplituda na ultrazvočni sondi določa intenzivnost ultrazvočnih valov, ki se prenašajo v tekočino ali suspenzijo. Ultrazvočni valovi v tekočih medijih ustvarjajo izmenjujoče se visokotlačne in nizkotlačne cikle. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti v tekočini ustvarijo majhne vakuumske mehurčke. Med visokotlačnim ciklom se majhni vakuumski mehurčki destruktivno sesedejo. Ta pojav imenujemo kavitacija. Implozija kavitacijskih mehurčkov lahko ustvari tudi tekočinske curke z veliko hitrostjo do 280 m/s, kar povzroči močne strižne sile. Strižne sile drobijo delce, povzročajo trke med delci ter mehansko razbijajo kapljice in razgrajujejo celice, hkrati pa spodbujajo zelo učinkovit prenos snovi. Te kavitacijske sile ustvarjajo enakomerne in homogene disperzije, emulzije in suspenzije, znano pa je tudi, da pospešujejo kemijske reakcije (tako imenovana sonokemija).
Akustična kavitacija (ki jo ustvarja ultrazvok visoke moči) lokalno ustvarja ekstremne razmere, tako imenovane sonomehanske in sonokemijske učinke. Zaradi teh učinkov sonikacija zmanjša velikost trdnih in tekočih delcev ter jih zmeša v homogeno formulacijo.
Ultrazvočna kavitacija na sondi cascatrode ultrazvočne naprave UIP1000hdT (1000 vatov, 20kHz) v steklenem reaktorju. Rdeča svetloba od spodaj se uporablja za izboljšanje vidnosti kavitacije.
Prednosti uporabe sonikatorjev kot homogenizatorjev
Ultrazvočni homogenizatorji so najboljši pri proizvodnji suspenzij in raztopin trdno–tekoče (tako imenovanih gošč) ter tekoče–tekoče. Ker ultrazvočne naprave delujejo po načelu ultrazvočne kavitacije, mora biti material moker ali v mokri fazi, saj kavitacija nastaja samo v tekočini. To pomeni, da ultrazvočna naprava ne bi bila zelo učinkovita pri mešanju suhega prahu, toda takoj ko se prah omoči, je sonikacija najučinkovitejša metoda mešanja. Ultrazvočni homogenizatorji so znani po zanesljivem mešanju, zmesitvi in dispergiranju celo past in zelo viskoznih materialov. Izjemno intenzivne sile, ki jih povzroča implozija kavitacijskih mehurčkov, ustvarjajo tako zelo močne strižne sile kot tudi lokalno omejene visoke temperature in tlake ter njihove razlike. Ta kombinacija fizikalnih sil razbije delce na precej manjše velikosti kot običajni homogenizator. Zato so ultrazvočni homogenizatorji prednostna oprema za zanesljivo proizvodnjo emulzij in disperzij z delci nanometrskih velikosti.
- odlična učinkovitost
- zmožnost dovajanja močno usmerjene energije
- vrhunski rezultati pri mikrometrskih in nanometrskih velikostih
- za emulzije in disperzije z delci mikrometrskih in nanometrskih velikosti
- poljubna prostornina od mL do ton/uro
- šaržna in pretočna obdelava
- za enkratni prehod in recirkulacijo
- natančen nadzor procesa
- preprosto upravljanje
- enostavno čiščenje
- majhne potrebe po vzdrževanju
Uporabe ultrazvočnih homogenizatorjev
Ultrazvočni homogenizatorji se pogosto uporabljajo v laboratorijih in industrijskih obratih za homogenizacijo suspenzij trdno–tekoče in tekoče–tekoče, zmanjševanje velikosti delcev, razgradnjo in ekstrakcijo biološkega materiala, intenziviranje kemijskih reakcij ter raztapljanje topnih spojin.
Ultrazvočno emulgiranje
Emulgiranje je postopek mešanja dveh ali več tekočin, ki se med seboj ne mešajo, za pripravo stabilne ali polstabilne zmesi. Na splošno ti dve tekočini sestavljata oljno in vodno fazo. Za stabilizacijo zmesi različnih tekočih faz se doda emulgator (površinsko aktivna snov / pomožna površinsko aktivna snov). Velikost kapljic v emulziji ima ključno vlogo pri njeni funkcionalnosti in stabilnosti. Ker ultrazvok visoke moči ustvarja sonomehanske sile, ki razbijajo kapljice in jih zmanjšujejo v drobne kapljice, je sonikacija zelo priljubljena metoda za proizvodnjo mikroemulzij in nanoemulzij. Ultrazvočni homogenizatorji so zanesljivo orodje za proizvodnjo emulzij O/W in W/O, inverznih emulzij, dvojnih emulzij (O/W/O, W/O/W), miniemulzij ter Pickeringovih emulzij. Zaradi te prilagodljivosti in zanesljive sposobnosti emulgiranja se ultrazvočni homogenizatorji (pri uporabi za emulgiranje včasih imenovani tudi ultrazvočni emulgatorji) uporabljajo na primer v kemijski, živilski in farmacevtski industriji ter industriji goriv za proizvodnjo dolgoročno stabilnih emulzij.
Kliknite naslednji povezavi, če želite izvedeti več o nanoemulzijah in Pickeringovih emulzijah!
Ultrazvočno dispergiranje
Ultrazvočni homogenizatorji so zelo učinkoviti, kadar je treba zanesljivo zmanjšati velikost aglomeratov, agregatov in celo primarnih delcev. Prednost ultrazvočnih homogenizatorjev je njihova sposobnost mletja delcev na manjše in bolj enakomerne velikosti, ne glede na to, ali so želeni rezultat procesa mikrodelci ali nanodelci. Kavitacijske strižne sile in tekočinski tokovi pospešujejo delce, tako da trkajo drug ob drugega. To imenujemo trki med delci. Delci sami delujejo kot mlevni medij, s čimer se preprečita kontaminacija z mlevnimi kroglicami in naknadni postopek ločevanja, ki je potreben pri uporabi običajnih krogličnih mlinov. Ker delci pri trkih med seboj trčijo z zelo velikimi hitrostmi do 280m/sec, nanje delujejo izjemno velike sile, zaradi katerih se razbijejo na drobne delce. Trenje in erozija tem drobcem dajeta gladko površino in enakomerno obliko. Kombinacija strižnih sil in trkov med delci daje ultrazvočni homogenizaciji in dispergiranju prednost pri pripravi zelo homogenih koloidnih suspenzij in disperzij!
Spodnje zaporedje slik prikazuje delovanje kavitacijskih sil ultrazvoka na grafitne kosmiče.
Zaporedje posnetkov, zajetih z veliko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitnega kosmiča v vodi z UP200S, 200W ultrazvočno napravo s 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Dispergiranje in homogenizacija nanomaterialov
Priprava zmesi z delci nanometrskih velikosti je zahtevna naloga tako pri emulzijah kot pri disperzijah. Večina običajnih tehnik homogenizacije in mešanja, kot so lopatični mešalniki, kroglični mlini, visokotlačni homogenizatorji in drugi mešalniki, lahko proizvede delce mikrometrskih velikosti, vendar ne more zanesljivo zmanjšati kapljic in trdnih delcev na nanometrske velikosti. Razlog je predvsem nezadostna intenzivnost. Lopatični mešalniki na primer ne zagotavljajo dovolj striga za drobljenje delcev na nanometrske velikosti. Kroglični mlini, druga vrsta homogenizatorjev, ne morejo enakomerno zmleti trdnih snovi na velikost delcev, manjšo od samih kroglic (mlevnega medija). Običajne mlevne kroglice imajo povprečno velikost med 1.500 mm in 35.000 mm. Druga težava je kontaminacija zaradi obrabe mlevnega medija. Ker ultrazvočne naprave zagotavljajo izjemno velike, a natančno nadzorovane strižne sile, je ultrazvočna kavitacija prednostna tehnika za zanesljivo proizvodnjo nanodisperzij in nanoemulzij v laboratorijskih (R&D), pilotnih in industrijskih sistemih.
Ultrazvočne disperzije imajo enakomerno porazdelitev velikosti delcev s homogeno zmanjšanimi delci. Krivulji prikazujeta porazdelitev delcev silicijevega dioksida pred obdelavo z ultrazvokom (zelena krivulja) in po ultrazvočnem dispergiranju (rdeča krivulja).
Povečanje merila procesov ultrazvočne homogenizacije
Pri prehodu z laboratorijskega ultrazvočnega homogenizatorja na pilotno ultrazvočno napravo in s pilotnega sistema na ultrazvočni homogenizator za proizvodnjo v polnem obsegu je lahko povečanje merila povsem linearno! Vsi pomembni procesni parametri, kot so amplituda, tlak, temperatura in čas obdelave, ostanejo nespremenjeni; povečata se le površina ultrazvočne sonde in ultrazvočna naprava kot energijski pogon sonde, ki se nadomestita z večjima in zmogljivejšima enotama. Linearna razširljivost procesov ultrazvočne homogenizacije omogoča, da v obsežni proizvodnji dosežemo enake visokokakovostne rezultate kot v laboratorijskih in pilotnih sistemih.
Poiščite najprimernejši ultrazvočni homogenizator za svoj proces!
Hielscher Ultrasonics je vaš partner z dolgoletnimi izkušnjami na področju ultrazvočnih homogenizatorjev. Vse ultrazvočne naprave Hielscher načrtujemo, izdelujemo in preizkušamo na našem sedežu v Nemčiji, preden jih pošljemo strankam po vsem svetu. Ultrazvočni homogenizatorji Hielscher so visokokakovostne naprave, ki jih odlikujejo stalna visoka zmogljivost, zanesljivost, robustnost in prijaznost do uporabnika. Tehnična dovršenost tehnologije ultrazvočne homogenizacije uporabnikom opreme Hielscher daje konkurenčne prednosti, zaradi katerih postanejo vodilni na trgu v svoji panogi. S široko paleto izdelkov, od laboratorijskih in namiznih homogenizatorjev ter pilotnih sistemov do povsem industrijskih ultrazvočnih homogenizatorjev za komercialno proizvodnjo, ima Hielscher idealen ultrazvočni mešalni sistem za vaše zahteve. Raznovrstna dodatna oprema omogoča idealno konfiguracijo ultrazvočnega homogenizatorja – prilagojeno individualnim potrebam.
Sporočite nam svoje procesne zahteve in specifikacije – z veseljem vam bomo priporočili najprimernejši in najučinkovitejši ultrazvočni homogenizator za vašo uporabo!
Visoka učinkovitost z uporabo ultrazvočnih homogenizatorjev
Zaradi izjemne učinkovitosti procesa, razumnih investicijskih stroškov, zelo visoke energijske učinkovitosti ter nizkih stroškov dela in vzdrževanja ultrazvočni homogenizatorji Hielscher prekašajo običajne tehnike homogenizacije in zagotavljajo hitro povračilo naložbe (RoI). Ultrazvočni homogenizator se pogosto amortizira v nekaj mesecih.
Ultrazvok visoke moči za industrijsko homogenizacijo
Amplituda je najpomembnejši procesni parameter pri procesih homogenizacije z ultrazvokom. Vse ultrazvočne naprave Hielscher omogočajo natančen nadzor amplitude. Glede na cilj procesa lahko nastavite nižjo amplitudo za blažje pogoje obdelave ali izberete visoko amplitudo za bolj destruktivne rezultate dispergiranja. Industrijski sonikatorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno uporabljati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Majhne potrebe po vzdrževanju ultrazvočnih homogenizatorjev
Ultrazvočni homogenizatorji so tudi enostavni za čiščenje, saj sta sonotroda in reaktor edina omočena sestavna dela, ki prideta v stik z obdelovanim materialom. Sonotroda (znana tudi kot ultrazvočni rog ali sonda) je izdelana iz titana, reaktor pa iz nerjavnega jekla; oba imata čisto geometrijo brez odprtin ali mrtvih kotov.
Edini del, ki je izpostavljen obrabi, je ultrazvočna sonda, ki jo je mogoče zamenjati brez večje prekinitve delovanja. Sonotrodo laboratorijske ultrazvočne naprave zamenjamo v približno 10 min, medtem ko lahko zamenjava sonotrode industrijskega ultrazvočnega homogenizatorja traja približno 30–45 min.
Obrnite se na nas zdaj! Naša izkušena ekipa vam bo z veseljem posredovala tehnične informacije in priporočila glede procesa!
Spodnja preglednica prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 0,3 do 60L | 0,6 do 12L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Pogosta vprašanja o homogenizatorjih
- Kakšno je načelo delovanja homogenizatorja? Homogenizator na tekočine, suspenzije in gošče deluje s strižnimi silami. Strig zmanjša velikost delcev v zmeseh trdno–tekoče in tekoče–tekoče ter ustvari enakomerne porazdelitve velikosti delcev. Homogenizatorji lahko proizvajajo stabilne emulzije ali disperzije.
- Kakšno je načelo procesa homogenizacije? Temeljno načelo homogenizacije vključuje delovanje mehanske sile, kot so ultrazvočne vibracije in kavitacija, na heterogeno zmes za drobljenje delcev na enakomerno majhno velikost. S tem nastane enotna in stabilna zmes, ki preprečuje ločevanje s časom.
- Kaj je glavni namen homogenizacije? Glavni namen homogenizacije je izboljšati stabilnost in enotnost izdelka z zmanjšanjem velikosti delcev. Ta proces izboljšuje fizikalne lastnosti zmesi, kot so viskoznost, tekstura in rok uporabnosti, zato je ključen pri predelavi živil ter v farmaciji in kozmetiki.
Preberite več o ultrazvočnih homogenizatorjih za živila! - Kaj je ultrazvočna homogenizacija? Ultrazvočna homogenizacija uporablja visokofrekvenčne zvočne valove za povzročanje kavitacije v tekočem mediju, kar ustvari intenzivne strižne sile, ki drobijo delce na mikroskopski ravni. Ta metoda je posebej učinkovita za razgradnjo celic, dispergiranje nanodelcev in emulgiranje.
- Kaj je sonikacija za homogenizacijo? Sonikacija za homogenizacijo vključuje dovajanje ultrazvočne energije vzorcem za doseganje finega in enakomernega mešanja. Ta proces je učinkovit za dispergiranje, emulgiranje in zmanjševanje velikosti delcev v tekočini ter se pogosto uporablja tako v raziskavah kot v industriji.
- Kateri sta 2 vrsti metod sonikacije? Dve glavni vrsti metod sonikacije sta neposredna in posredna sonikacija. Neposredna sonikacija vključuje potopitev sonde neposredno v vzorec, posredna sonikacija pa poteka v kopeli, kjer so vzorci v posodi, potopljeni v tekočino, primerno za sonikacijo. Neposredna sonikacija je običajno intenzivnejša in učinkovitejša za homogenizacijo kot posredna sonikacija.
Literatura / viri
- 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.