Homogenizatorji – Načelo delovanja, uporaba in širitev
Homogenizatorji so vrsta mešalnikov, ki uporabljajo mehanske sile za mešanje, emulgiranje, razpršitev in raztapljanje sistemov tekočina-tekočina in trdna tekočina. Odvisno od modela homogenizatorja se rotacijsko striženje, šobe ali ultrazvok visoke moči uporabljajo za ustvarjanje potrebnih sil za razgradnjo in razgradnjo trdnih delcev in tekočih kapljic. Preberite več o homogenizatorskih napravah in njihovih aplikacijah v raziskavah in proizvodnji!
Kaj je homogenizator?
Homogenizator je razred mešalnih naprav, ki je zasnovan tako, da razbije trdne in tekoče delce v enotno mešanico. Homogenizatorji so na voljo kot laboratorijska, namizna in industrijska oprema, ki se uporablja za različne aplikacije v raziskavah in industriji. Tipična uporaba homogenizatorja vključuje mešanje in razpadanje različnih materialov, vključno z delci, pigmenti, kemikalijami, rastlinami, hrano, celicami, tkivi, med drugim.
Prosimo, kontaktirajte nas, če želite izvedeti več o homogenizatorjih, ultrazvočni obdelavi in kako lahko uporabite naše sonikatorje za svoj proces!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizator s 16.000 vatnimi ultrazvočnimi aparati za zahtevne aplikacije, kot so nano-disperzije in nano-emulzije.
Pregled različnih vrst homogenizatorjev
Različne vrste homogenizatorjev so komercialno dostopne za uporabo v namizni in industrijski proizvodnji v velikem obsegu. Vendar pa so mešalniki rotorja / statorja (koloidni), visokotlačni homogenizatorji in ultrazvočni homogenizatorji najpogosteje uporabljeni modeli.
Mešalniki z rotorjem ali rezilom imajo vrtilno rezilo, ki se vrti z veliko hitrostjo na dnu mešalne posode in tako združuje različne materiale v homogeno mešanico.
Kot že pove ime mešalnika rotorja / statorja, ima mešalnik rotorja / statorja rotor in komponento statorja. Rotor je kovinska gred, ki se vrti pri visokih hitrostih znotraj statorja. Stator je kovinski del, ki ostane nepremičen. Vrtenje rotorja ustvarja sesalni učinek, ki premika trdno-tekoči material med statorjem in rotorjem, kjer se trdne snovi zmanjšajo na manjšo velikost delcev.
Načelo delovanja visokotlačnega homogenizatorja (HPH) temelji na uporabi visokotlačne črpalke in ventila (šobe, odprtine), zaradi česar je oprema velika, težka in draga. Obdelana gnojevka se potisne z veliko hitrostjo pretoka skozi majhno odprtino, kar zmanjša velikost delcev, saj delci potrebujejo določeno majhno velikost, da gredo skozi ventil. Zlasti pri predelavi trdnih snovi so HPH nagnjeni k zamašitvi.
Ultrazvočni homogenizatorji uporabljajo visoke strižne sile, ki jih povzroča akustična kavitacija, kar jim daje različne prednosti pred drugimi tehnikami homogenizacije. Spodaj so predstavljeni princip delovanja in prednosti ultrazvočne homogenizacije.
Ultrazvok visoke moči kot homogenizirajoča sila
Ultrazvočni homogenizator uporablja visoko intenzivne ultrazvočne vibracije in kavitacijo za ustvarjanje zelo intenzivnih strižnih sil in ga zato lahko imenujemo super intenziven mešalnik z visokim striženjem. Skrivnost super 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 spremenijo svojo velikost in obliko, ko se uporabi napetost. Ko je frekvenca elektronskega oscilatorja enaka naravni frekvenci piezoelektričnega kremena, pride do resonance. V resonančnih pogojih kremen proizvaja vzdolžne ultrazvočne valove velike amplitude.
Ustvarjeni ultrazvočni valovi se nato prek ultrazvočne sonde (sonotrode / rog) povežejo v procesni medij. Amplituda na ultrazvočni sondi določa intenzivnost ultrazvočnih valov, ki se prenašajo v tekočino ali gnojevko. Ultrazvočni valovi ustvarjajo izmenične visokotlačne in nizkotlačne cikle v tekočih medijih. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti proizvajajo majhne vakuumske mehurčke v tekočini. Med visokotlačnim ciklom se majhni vakuumski mehurčki uničujoče zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Implozija kavitacijskih mehurčkov lahko ustvari tudi tekoče curke z visoko hitrostjo do 280 m / s, kar ima za posledico močne strižne sile. Strižne sile razbijejo delce, povzročijo trk med delci in mehansko motijo kapljice in celice, hkrati pa spodbujajo zelo učinkovit prenos mase. Te kavitacijske sile proizvajajo enakomerne in homogene disperzije, emulzije in suspenzije, znano pa je tudi, da spodbujajo kemijske reakcije (tako imenovana sonokemija).
Akustična kavitacija (ki jo ustvarja ultrazvok visoke moči) ustvarja lokalno ekstremne pogoje, tako imenovane sonomehanske in sonokemične učinke. Zaradi teh učinkov ultrazvočna obdelava zmanjša trdne in tekoče delce ter jih zmeša v homogeno formulacijo.
Ultrazvočna kavitacija na kaskatrodni sondi ultrazvočni zvočnik UIP1000hdT (1000 vatov, 20kHz) v steklenem reaktorju. Rdeča svetloba od spodaj se uporablja za izboljšanje vidljivosti kavitacije.
Ultrazvočni homogenizatorji – Prednosti
Ultrazvočni homogenizatorji so boljši, ko gre za proizvodnjo trdno-tekočih (tako imenovanih gnojevk) in tekočinsko-tekočih suspenzij in raztopin. Ker ultrazvočni aparati uporabljajo princip delovanja ultrazvočne kavitacije, mora biti material moker ali v mokri fazi, saj se kavitacija pojavlja samo v tekočini. To pomeni, da ultrazvočni aparat ne bi bil zelo učinkovit pri mešanju suhega prahu, toda takoj, ko se prašek navlaži, je ultrazvočna razbijanje najučinkovitejša metoda za mešanje. Ultrazvočni homogenizatorji so dobro znani, da zanesljivo mešajo, mešajo in razpršijo celo paste in zelo viskozne materiale. Izjemno intenzivne sile, ki jih povzroča implozija kavitacijskih mehurčkov, ustvarjajo ne le zelo močne strižne sile, temveč tudi lokalno omejene visoke temperature in tlake ter ustrezne razlike. Ta kombinacija fizikalnih sil moti delce na veliko manjše velikosti kot običajni homogenizator. Zato so ultrazvočni homogenizatorji najprimernejša oprema za zanesljivo proizvodnjo nano-velikih emulzij in disperzij.
- odlična učinkovitost
- sposoben zagotavljati visoko osredotočeno energijo
- Vrhunski rezultati v Micron in Nano
- za emulzije in disperzije velikosti mikronov in nanovelikosti
- kakršna koli prostornina od ml do ton/uro
- Paketno in v vrstici
- za enojni prehod in recirkulacijo
- natančen nadzor procesa
- enostavno upravljanje
- enostavno čiščenje
- nizko vzdrževanje
Uporaba ultrazvočnih homogenizatorjev
Ultrazvočni homogenizatorji se pogosto uporabljajo v laboratorijskih in industrijskih objektih za homogenizacijo suspenzij trdne tekočine in tekočine, zmanjšanje velikosti delcev, motnje in ekstrakcijo biološkega materiala, intenziviranje kemijskih reakcij in raztapljanje topnih spojin.
Ultrazvočna emulzifikacija
Emulgiranje je postopek mešanja dveh ali več tekočin, ki se ne mešajo, da se pripravi stabilna ali polstabilna zmes. Na splošno sta ti dve tekočini sestavljeni iz oljne faze in vodne (vodne) faze. Za stabilizacijo mešanice različnih tekočih faz dodamo emulgator (površinsko aktivna snov / ko-površinsko aktivna snov). Velikost kapljic emulzije igra ključno vlogo, ko gre za funkcionalnost in stabilnost emulzije. Ker močni ultrazvok ustvarja sonomehanske sile, ki razbijejo kapljice in jih zmanjšajo na majhne kapljice, je ultrazvočna razbijanje zelo priljubljena metoda za proizvodnjo mikronskih in nano-emulzij. Ultrazvočni homogenizatorji so zanesljivo orodje za proizvodnjo O/W in W/O emulzij, inverznih emulzij, dvojnih emulzij (O/W/O, W/O/W), mini emulzij in Pickeringovih emulzij. Na podlagi te fleksibilnosti in zanesljive emulgatorske zmogljivosti se ultrazvočni homogenizatorji (včasih imenovani tudi ultrazvočni emulgatorji, kadar se uporabljajo za emulgiranje) uporabljajo npr. v kemični, živilski, farmacevtski in gorivni industriji za proizvodnjo dolgoročno stabilnih emulzij.
Kliknite naslednje povezave, če želite izvedeti več o nano-emulzije in Pickering emulzije!
Ultrazvočna disperzija
Ultrazvočni homogenizatorji so zelo učinkoviti, kadar je treba aglomerati delcev, agregate in celo primarne delce zanesljivo zmanjšati. Prednost ultrazvočnih homogenizatorjev je njihova sposobnost mletja delcev do manjših in bolj enakomernih velikosti delcev, ne glede na to, ali so mikronski ali nanodelci ciljni kot rezultat procesa. Kavitacijske strižne sile in tekočinski tokovi pospešijo delce, tako da trčijo med seboj. To je znano kot trk med delci. Delci sami delujejo kot medij za mletje, ki preprečuje kontaminacijo z mletjem kroglic in kasnejšim postopkom ločevanja, ki je potreben pri uporabi običajnih kroglic. Ker delci trčijo z trkom med delci pri zelo visokih hitrostih do 280 m / s, delujejo izjemno visoke sile na delce, ki se zato razbijejo v majhne frakcije. Trenje in erozija dajeta tem delcem polirano površino in enakomerno obliko. Kombinacija strižnih sil in trka med delci daje ultrazvočni homogenizaciji in disperziji ugoden rob, ki zagotavlja visoko homogene koloidne suspenzije in disperzije!
Spodnje zaporedje slik prikazuje kavitacijske sile ultrazvoka na grafitnih kosmičih.
Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočni aparat s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Disperzija in homogenizacija nanomaterialov
Za emulzije in disperzije je priprava nano-velikih mešanic zahtevna naloga. Večina konvencionalnih tehnik homogenizacije in mešanja, kot so mešalniki rezil, mlini za kroglice, visokotlačni homogenizatorji in drugi mešalniki, lahko proizvajajo delce velikosti mikronov, vendar ne morejo zanesljivo razbiti kapljic in trdnih snovi do nanovelikosti. To je predvsem posledica nezadostne intenzivnosti. Na primer, rezilni mešalniki ne zagotavljajo dovolj striženja za razbijanje delcev na nano-velikost. Mlini za kroglice, druga vrsta homogenizatorja, ne morejo enakomerno mleti trdnih snovi do manjše velikosti delcev kot kroglice (mletje medija). Običajne brusne kroglice imajo povprečno velikost med 1.500 mm – 35.000 mm. Druga težava je kontaminacija z obrabo mletnega medija. Ker ultrazvočni aparati zagotavljajo izjemno visoke, a natančno nadzorovane strižne sile, je ultrazvočna kavitacija najprimernejša tehnika za zanesljivo proizvodnjo nano-disperzije in nano-emulzij v laboratoriju (R&D), pilotne in industrijske nastavitve.
Ultrazvočne disperzije kažejo enakomerno porazdelitev velikosti delcev s homogeno zmanjšanimi delci. Krivulje prikazujejo porazdelitev delcev silicijevega dioksida pred ultrazvokom (zelena krivulja) in po ultrazvočni disperziji (rdeča krivulja).
Povečanje ultrazvočnih homogenizacijskih procesov
Pri povečanju iz laboratorijskega ultrazvočnega homogenizatorja v pilotni ultrazvočni homogenator in iz pilotnega sistema v ultrazvočni homogenizator v polnem obsegu se lahko poveča popolnoma linearno! Vsi pomembni procesni parametri, kot so amplituda, tlak, temperatura in čas obdelave, ostanejo konstantni, le površina ultrazvočne sonde in ultrazvočnega stroja kot energetskega mešalnika sonde se povečata na večje, močnejše enote. Linearna razširljivost ultrazvočnih homogenizacijskih procesov omogoča pridobivanje enakih visokokakovostnih rezultatov v veliki proizvodnji kot v laboratorijskih in pilotnih nastavitvah.
Poiščite najprimernejši ultrazvočni homogenizator za vaš proces!
Hielscher Ultrasonics je vaš dolgoletni izkušen partner za ultrazvočne homogenizatorje. Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so zasnovani, izdelani in preizkušeni na našem sedežu v Nemčiji, preden jih pošljemo našim strankam po vsem svetu. Hielscher ultrazvočni homogenizatorji so visokokakovostne naprave, ki jih karakterizirajo konstantna visoka zmogljivost, zanesljivost, robustnost in prijaznost do uporabnika. Tehnična prefinjenost tehnologije ultrazvočne homogenizacije daje uporabnikom opreme Hielscher konkurenčne prednosti, zaradi česar so vodilni na trgu v svoji industriji. S široko paleto izdelkov iz laboratorijskih in klopnih homogenizatorjev, pilotnih sistemov in polnih industrijskih ultrazvočnih homogenizatorjev za komercialno proizvodnjo ima Hielscher idealen ultrazvočni mešalni sistem za vaše zahteve. Dodatki razdelilnika omogočajo idealno nastavitev ultrazvočnega homogenizatorja – Ustrezanje individualnim potrebam.
Povejte nam svoje zahteve in specifikacije procesa – 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 energetske učinkovitosti in nizkih stroškov dela in vzdrževanja Hielscher ultrazvočni homogenizatorji presegajo konvencionalne tehnike homogenizacije in dosegajo hitro donosnost naložbe. Pogosto se ultrazvočni homogenizator amortizira v nekaj mesecih.
Ultrazvok visoke moči za industrijsko homogenizacijo
Amplituda je najpomembnejši procesni parameter v ultrazvočnih homogenizacijskih procesih. Vsi Hielscher ultrazvočni aparati omogočajo natančen nadzor nad amplitudo. Odvisno od cilja postopka se lahko nastavi nižja amplituda za blažje pogoje obdelave ali pa se izbere visoka amplituda za bolj destruktivne rezultate disperzije. Hielscher industrijski sonikatorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Nizke zahteve za vzdrževanje ultrazvočnih homogenizatorjev
Ultrazvočni homogenizatorji niso le enostavni za čiščenje, saj sta sonotroda in reaktor edini sestavni deli, ki so mokri deli in pridejo v stik s predelanim materialom. Sonotrode (znan tudi kot ultrazvočni rog ali sonda) in reaktor sta izdelana iz titana in nerjavečega jekla in imata čisto geometrijo brez odprtin ali mrtvih vogalov.
Edini del, ki je podvržen obrabi, je ultrazvočna sonda, ki jo je mogoče zamenjati brez večjih motenj v delovanju. Sonotroda laboratorijskega ultrazvočnega aparata se spremeni v približno 10 minutah, medtem ko lahko sprememba sonotrode industrijskega ultrazvočnega homogenizatorja traja približno 30-45 min.
Kontaktirajte nas zdaj! Naša izkušena ekipa vam bo z veseljem zagotovila tehnične informacije in priporočila v zvezi s procesom!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 0.3 do 60L | 00,6 do 12 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Pogosto zastavljena vprašanja o homogenizatorjih
- Kakšno je načelo delovanja homogenizatorja? Homogenizator uporablja strižne sile na tekočine, suspenzije in suspenzije. Striženje zmanjša velikost delcev mešanic trdno-tekoča in tekočina-tekočina ter povzroči enakomerno porazdelitev velikosti delcev. Homogenizatorji lahko proizvajajo stabilne emulzije ali disperzije.
- Kakšno je načelo procesa homogenizacije? Temeljno načelo homogenizacije vključuje uporabo mehanske sile, kot so ultrazvočne vibracije in kavitacija na heterogeno mešanico, da se delci razgradijo v enakomerno fino velikost, s čimer se doseže dosledna in stabilna mešanica, ki preprečuje ločevanje skozi čas.
- Kaj je glavni namen homogenizacije? Glavni namen homogenizacije je izboljšati stabilnost in konsistenco izdelka z zmanjšanjem velikosti delcev. Ta postopek izboljša fizikalne lastnosti mešanice, kot so viskoznost, tekstura in rok uporabnosti, zaradi česar je ključnega pomena pri predelavi hrane, farmacevtskih izdelkih in kozmetiki.
Preberite več o ultrazvočnih homogenizatorjih hrane! - Kaj je ultrazvočna homogenizacija? Ultrazvočna homogenizacija uporablja visokofrekvenčne zvočne valove za induciranje kavitacije v tekočem mediju, kar povzroči intenzivne strižne sile, ki razgrajujejo delce na mikroskopski ravni. Ta metoda je še posebej učinkovita za celične motnje, disperzijo nanodelcev in emulgiranje.
- Kaj je ultrazvočno razbijanje za homogenizacijo? Sonication za homogenizacijo vključuje uporabo ultrazvočne energije na vzorce, da se doseže fino, enakomerno mešanje. Ta postopek je učinkovit za razprševanje, emulgiranje in zmanjševanje velikosti delcev v tekočini, ki se pogosto uporablja v raziskovalnem in industrijskem kontekstu.
- Kateri sta 2 vrsti ultrazvočnih metod? Dve osnovni vrsti ultrazvočnih metod sta neposredna in posredna ultrazvočna razbijanja. Neposredna ultrazvočna razbijanje vključuje potopitev sonde neposredno v vzorec, medtem ko se posredno ultrazvočno razbijanje pojavi v kopeli, kjer se vzorci dajo v posodo, potopljeno v ultrazvočno prijazno tekočino. Neposredna ultrazvočna razbijanje je običajno intenzivnejša in učinkovitejša za homogenizacijo kot posredna ultrazvočna razbijanje.
Literatura / Reference
- 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.