Хомогенизатори – Принцип рада, употреба и повећање
Хомогенизатори су врста миксера, који примењују механичке силе за мешање, емулговање, дисперговање и растварање система течност-течност и чврсто-течност. У зависности од модела хомогенизатора, ротационо смицање, млазнице или ултразвук велике снаге се користе за стварање потребних сила за дезинтеграцију и разбијање чврстих честица, као и капљица течности. Сазнајте више о уређајима хомогенизатора и њиховој примени у истраживању и производњи!
Шта је хомогенизатор?
Хомогенизатор је класа уређаја за мешање, која је дизајнирана да разбије честице, чврсте и течне, у једноличну смешу. Хомогенизатори су доступни као лабораторијска, стона и индустријска опрема која се користи за различите примене у истраживању и индустрији. Типична примена хомогенизатора укључује мешање и дезинтеграцију различитих материјала, укључујући честице, пигменте, хемикалије, биљке, храну, ћелије, ткива, између осталог.
Молимо контактирајте нас да сазнате више о хомогенизаторима, соникацији и како можете да користите наше соникаторе за свој процес!
МултиСоноРеацтор МСР-4 је индустријски инлине хомогенизатор са ултразвучним апаратима снаге 16.000 вати за захтевне примене као што су нано-дисперзије и нано-емулзије.
Преглед различитих типова хомогенизатора
Различити типови хомогенизатора су комерцијално доступни за употребу у столној и индустријској производњи великих размера. Међутим, ротор/статор (колоидни) миксери, хомогенизатори високог притиска и ултразвучни хомогенизатори су најчешће коришћени модели.
Мешалице са импелером или лопатицом имају сечиво које се окреће великом брзином на дну посуде за мешање и на тај начин комбинује различите материјале у хомогену смешу.
Као што назив миксера ротор/статор већ имплицира, миксер ротор/статор има ротор и статорску компоненту. Ротор је метална осовина која се ротира великом брзином унутар статора. Статор је метални део који остаје непомичан. Ротација ротора ствара ефекат усисавања који помера чврсти течни материјал између статора и ротора, где се чврста материја смањује на мању величину честица.
Принцип рада хомогенизатора високог притиска (ХПХ) заснива се на употреби пумпе високог притиска и вентила (млазница, отвор), што опрему чини великом, тешком и скупом. Обрађена суспензија се пропушта великом брзином протока кроз мали отвор, што смањује величину честица пошто честице захтевају одређену малу величину да би прошле кроз вентил. Нарочито када се обрађују чврсте материје, ХПХ су склони зачепљењу.
Ултразвучни хомогенизатори користе силу високог смицања коју ствара акустична кавитација, што им даје различите предности у односу на друге технике хомогенизације. Принцип рада и предности ултразвучне хомогенизације су представљени у наставку.
Ултразвук велике снаге као сила хомогенизације
Ултразвучни хомогенизатор користи ултразвучне вибрације високог интензитета и кавитацију да би створио веома интензивне силе смицања и стога се може назвати супер-интензивним миксером високог смицања. Тајна иза супер-интензивних сила високог смицања је акустична кавитација, која се генерише ултразвучним таласима велике снаге. Ултразвучни хомогенизатор има генератор, који је јединица за напајање и контролу, и претварач. Претварач садржи пиезо-електричну керамику. Ова пиезоелектрична керамика претвара електричну енергију у осцилацију, пошто пиезоелектрични кристали мењају своју величину и облик када се примени напон. Када је фреквенција електронског осцилатора једнака природној фреквенцији пиезоелектричног кварца, долази до резонанце. У условима резонанце, кварц производи уздужне ултразвучне таласе велике амплитуде.
Генерисани ултразвучни таласи се затим спајају преко ултразвучне сонде (сонотрода / рог) у процесни медијум. Амплитуда на ултразвучној сонди одређује интензитет ултразвучних таласа, који се преносе у течност или кашу. Ултразвучни таласи стварају наизменичне циклусе високог и ниског притиска у течним медијима. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета производе мале вакуумске мехуриће у течности. Током циклуса високог притиска, мали вакуумски мехурићи деструктивно колабирају. Ова појава се назива кавитација. Имплозија кавитационих мехурића такође може да створи млазове течности са великом брзином до 280 м/с, што резултира снажним силама смицања. Силе смицања разбијају честице, изазивају судар између честица и механички ометају капљице и ћелије, промовишући у исто време високо ефикасан пренос масе. Ове кавитационе силе производе униформне и хомогене дисперзије, емулзије и суспензије, а познато је и да подстичу хемијске реакције (тзв. сонохемија).
Акустична кавитација (генерисана ултразвуком велике снаге) ствара локално екстремне услове, такозване сономеханичке и сонохемијске ефекте. Због ових ефеката, соникација смањује чврсте и течне честице и меша их у хомогену формулацију.
Ултразвучна кавитација на каскатродној сонди ултрасоникатор УИП1000хдТ (1000 вати, 20 кХз) у стакленом реактору. Црвено светло са дна се користи за побољшање видљивости кавитације.
Ултразвучни хомогенизатори – Предности
Ултразвучни хомогенизатори су супериорни, када је у питању производња суспензија и раствора чврсто-течност (тзв. каша) и течно-течних суспензија. Пошто ултразвучни апарати користе принцип рада ултразвучне кавитације, материјал треба да буде мокар или у влажној фази, пошто се кавитација јавља само у течности. То значи да ултрасоникатор не би био веома ефикасан у мешању сувог праха, али чим се прах покваси, соникација је најефикаснији метод за мешање. Познато је да ултразвучни хомогенизатори поуздано мешају, мешају и распршују чак и пасте и високо вискозне материјале. Изузетно интензивне силе изазване имплозијом кавитационих мехурића стварају не само веома моћне силе смицања већ и локално ограничене високе температуре и притиске, као и одговарајуће разлике. Ова комбинација физичких сила омета честице до много мањих величина од конвенционалног хомогенизатора. Због тога су ултразвучни хомогенизатори пожељна опрема за поуздану производњу емулзија и дисперзија нано величине.
- одлична ефикасност
- способан да испоручи високо фокусирану енергију
- супериорни резултати у микронима и нано
- за емулзије и дисперзије микронских и нано-величина
- било коју запремину од мЛ до тона/х
- батцх и инлине
- за једнократни пролаз и рециркулацију
- прецизна контрола процеса
- једноставан рад
- лако чишћење
- минимално одржавање
Примене ултразвучних хомогенизатора
Ултразвучни хомогенизатори се широко користе у лабораторијским и индустријским објектима за хомогенизацију суспензија чврсто-течност и течност-течност, смањење величине честица, разбијање и екстракцију биолошког материјала, интензивирање хемијских реакција и растварање растворљивих једињења.
Ултразвучна емулзификација
Емулзификација је процес мешања две или више течности које се не мешају заједно да би се добила стабилна или полустабилна смеша. Генерално, ове две течности се састоје од уљне фазе и водене (водене) фазе. Да би се мешавина различитих течних фаза стабилизовала, додаје се емулгатор (сурфактант / ко-сурфактант). Величина капљице емулзије игра кључну улогу када је у питању функционалност и стабилност емулзије. Пошто моћни ултразвук ствара сономеханичке силе, које разбијају капљице и своде их на ситне капљице, соникација је веома популарна метода за производњу микрон- и нано-емулзија. Ултразвучни хомогенизатори су поуздан алат за производњу О/В и В/О емулзија, инверзних емулзија, двоструких емулзија (О/В/О, В/О/В), мини емулзија као и Пицкеринг емулзија. На основу ове флексибилности и поузданог капацитета емулгирања, ултразвучни хомогенизатори (понекад се називају и ултразвучни емулгатори када се користе за емулгирање) се користе нпр. у хемијској, прехрамбеној, фармацеутској индустрији и индустрији горива за производњу дуготрајно стабилних емулзија.
Кликните на следеће везе да сазнате више о томе нано-емулзије и Пицкеринг емулзије!
Ултразвучна дисперзија
Ултразвучни хомогенизатори су веома ефикасни када се агломерати честица, агрегати, па чак и примарне честице морају поуздано смањити у величини. Предност ултразвучних хомогенизатора је њихова способност да мељу честице на мање и уједначеније величине честица, било да су микроне или нано-честице циљане као резултат процеса. Кавитационе смичне силе и струје течности убрзавају честице тако да се сударају једна са другом. Ово је познато као судар између честица. Саме честице делују као медијум за млевење, чиме се избегава контаминација млевењем перли и накнадним процесом одвајања, који је неопходан када се користе конвенционални млинови за перле. Пошто се честице сударају сударом између честица при веома великим брзинама до 280 м/с, на честице се примењују изузетно велике силе, које се стога разбијају у ситне фракције. Трење и ерозија дају тим фрагментима честица углачану површину и уједначен облик. Комбинација сила смицања и судара између честица даје ултразвучној хомогенизацији и дисперзији повољан руб који даје високо хомогене колоидне суспензије и дисперзије!
Слијед слика испод приказује кавитацијске силе ултразвука на графитним пахуљицама.
Брза секвенца (од а до ф) рамова која илуструје соно-механичко пилинг графитне пахуљице у води помоћу УП200С, ултразвучни апарат од 200В са сонотродом од 3 мм. Стрелице показују место цепања (пилинга) са мехурицима кавитације који продиру у расцеп.
© Тиурнина ет ал. 2020 (ЦЦ БИ-НЦ-НД 4.0)
Дисперзија и хомогенизација наноматеријала
И за емулзије и за дисперзије, припрема смеша нано величине је изазован задатак. Већина конвенционалних техника хомогенизације и мешања као што су мешалице са оштрицама, млинови за перле, хомогенизатори високог притиска и други миксери способне су да произведу честице микронске величине, али не могу поуздано да разбију капљице и чврсте материје до нано-величине. То је углавном због недовољног интензитета. На пример, мешалице са оштрицама не пружају довољно смицања за разбијање честица до нано-величине. Млинови за перле, други тип хомогенизатора, не могу равномерно млети чврсте материје до финије величине честица од саме перле (медиј за млевење). Конвенционалне перле за млевење имају просечну величину између 1500 мм – 35.000 мм. Други проблем је контаминација хабањем медија за млевење. Пошто ултразвучни апарати пружају изузетно високе, а ипак прецизно контролисане силе смицања, ултразвучна кавитација је пожељна техника за поуздану производњу нано-дисперзије и нано-емулзија у лабораторији (Р.&Д), пилот и индустријске поставке.
Ултразвучне дисперзије показују уједначену дистрибуцију величине честица са хомогено редукованим честицама. Криве показују расподелу честица силицијум диоксида пре ултразвука (зелена крива) и после ултразвучне дисперзије (црвена крива).
Сцале-Уп оф Ултрасониц Хомогенизинг Процесс
Приликом скалирања са лабораторијског ултразвучног хомогенизатора на пилот ултразвучни апарат, и са пилот система на ултразвучни хомогенизатор пуне производње, повећање се може применити потпуно линеарно! Сви важни параметри процеса као што су амплитуда, притисак, температура и време обраде се одржавају константним, само се површина ултразвучне сонде и ултразвучног апарата као енергетског мешача сонде скалирају на веће, снажније јединице. Линеарна скалабилност процеса ултразвучне хомогенизације омогућава да се у великој производњи добију исти резултати високог квалитета као у лабораторијским и пилот поставкама.
Пронађите најприкладнији ултразвучни хомогенизатор за ваш процес!
Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш дугогодишњи искусан партнер за ултразвучне хомогенизаторе. Сви Хиелсцхер ултрасоникатори су дизајнирани, произведени и тестирани у нашем седишту у Немачкој пре него што их пошаљемо нашим купцима широм света. Хиелсцхер ултразвучни хомогенизатори су висококвалитетни уређаји које карактеришу константне високе перформансе, поузданост, робусност и једноставност за коришћење. Техничка софистицираност технологије ултразвучне хомогенизације даје корисницима Хиелсцхер опреме конкурентске предности, што их чини водећим на тржишту у својој индустрији. Са широким асортиманом производа од лабораторијских и стоних хомогенизатора, пилот система и потпуно индустријских ултразвучних хомогенизатора за комерцијалне производње, Хиелсцхер има идеалан ултразвучни систем за мешање за ваше захтеве. Прибор за разводник омогућава идеално подешавање ултразвучног хомогенизатора – одговара индивидуалним потребама.
Реците нам своје захтеве и спецификације процеса – радо ћемо вам препоручити најпогоднији и ефикаснији ултразвучни хомогенизатор за вашу примену!
Висока ефикасност коришћењем ултразвучних хомогенизатора
Због изузетне ефикасности процеса, разумних трошкова улагања, веома високе енергетске ефикасности и ниских трошкова рада и одржавања, Хиелсцхер ултразвучни хомогенизатори надмашују конвенционалне технике хомогенизације и постижу брзи повраћај улагања (Ретурн он Инвестмент). Често се ултразвучни хомогенизатор амортизује у року од неколико месеци.
Ултразвук велике снаге за индустријску хомогенизацију
Амплитуда је најважнији параметар процеса у ултразвучним процесима хомогенизације. Сви Хиелсцхер ултрасоникатори омогућавају прецизну контролу над амплитудом. У зависности од циља процеса, нижа амплитуда се може подесити за блаже услове обраде или се бира висока амплитуда за деструктивније резултате дисперзије. Хиелсцхер индустријски соникатори могу да испоруче веома велике амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде.
Ниски захтеви за одржавање ултразвучних хомогенизатора
Ултразвучни хомогенизатори нису само лаки за чишћење јер су сонотрода и реактор једине компоненте које су мокри делови и долазе у контакт са обрађеним материјалом. Сонотрода (такође позната као ултразвучна сирена или сонда) и реактор су направљени од титанијума и нерђајућег челика, респективно и имају чисту геометрију без отвора или мртвих углова.
Једини део који је подложан хабању је ултразвучна сонда, која се може заменити без значајнијих ометања у раду. Сонотрода лабораторијског ултрасоникатора се мења у року од прибл. 10 мин, док замена сонотроде индустријског ултразвучног хомогенизатора може потрајати прибл. 30-45 мин.
Контактирајте нас одмах! Наш тим са добрим искуством ће радо пружити техничке информације и препоруке везане за процес!
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| 0.3 до 60Л | 0.6 до 12Л/мин | УИП6000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за апликације за мешање, дисперзију, емулзификацију и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Често постављана питања о хомогенизаторима
- Који је принцип рада хомогенизатора? Хомогенизатор примењује силе смицања на течности, суспензије и суспензије. Смицање смањује величину честица мешавина чврста-течност и течност-течност и производи уједначене расподеле величине честица. Хомогенизатори могу произвести стабилне емулзије или дисперзије.
- Који је принцип процеса хомогенизације? Основни принцип хомогенизације укључује примену механичке силе, као што су ултразвучне вибрације и кавитација на хетерогену мешавину да би се честице разбиле у уједначено фину величину, постижући конзистентну и стабилну смешу која спречава раздвајање током времена.
- Која је примарна сврха хомогенизације? Примарна сврха хомогенизације је побољшање стабилности и конзистенције производа смањењем величине честица. Овај процес побољшава физичка својства смеше, као што су вискозност, текстура и рок трајања, што је чини пресудном у преради хране, фармацији и козметици.
Прочитајте више о ултразвучним хомогенизаторима хране! - Шта је ултразвучна хомогенизација? Ултразвучна хомогенизација користи високофреквентне звучне таласе да изазове кавитацију у течном медију, што резултира интензивним силама смицања које разбијају честице на микроскопском нивоу. Ова метода је посебно ефикасна за ћелијске поремећаје, дисперзију наночестица и емулзификацију.
- Шта је соникација за хомогенизацију? Соникација за хомогенизацију укључује примену ултразвучне енергије на узорке да би се постигло фино, уједначено мешање. Овај процес је ефикасан за дисперговање, емулговање и смањење величине честица унутар течности, који се широко користи у истраживачком и индустријском контексту.
- Које су 2 врсте метода соникације? Две основне методе соникације су директна и индиректна соникација. Директна соникација укључује урањање сонде директно у узорак, док се индиректна соникација дешава у кади где се узорци стављају у посуду потопљену у течност погодну за соникацију. Директна соникација је обично интензивнија и ефикаснија за хомогенизацију од индиректне соникације.
Литература / Референце
- 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.