Хомогенизатори – принцип рада, употреба и повећање размера процеса

Хомогенизатори су врста мешалица које 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 користе се за стварање сила потребних за дезинтеграцију и уситњавање чврстих честица и капљица течности. Сазнајте више о хомогенизаторима и њиховој примени у истраживању и производњи!

Шта је хомогенизатор?

Хомогенизатор је уређај из класе уређаја за мешање, намењен уситњавању чврстих и течних честица ради добијања уједначене смеше. Хомогенизатори су доступни као лабораторијска, стона и индустријска опрема која се користи за различите примене у истраживању и индустрији. Типичне примене хомогенизатора обухватају мешање и дезинтеграцију различитих материјала, укључујући честице, пигменте, хемикалије, биљке, храну, ћелије, ткива и друге материјале.

Контактирајте нас да бисте сазнали више о хомогенизаторима, соникацији и начинима на које можете користити наше соникаторе у свом процесу!

Преглед различитих типова хомогенизатора

Различити типови хомогенизатора комерцијално су доступни за употребу у производњи на стоном нивоу и у индустријској производњи великих размера. Међутим, мешалице са ротором и статором (колоидне мешалице), хомогенизатори високог притиска и ултразвучни хомогенизатори најшире су коришћени модели.
Мешалице са радним колом или лопатицама имају ротирајућу лопатицу која се великом брзином окреће на дну посуде за мешање и тако спаја различите материјале у хомогену смешу.
Као што сам назив мешалице са ротором и статором указује, ова мешалица има роторску и статорску компоненту. Ротор је метално вратило које се великом брзином окреће унутар статора. Статор је метални део који остаје непокретан. Ротација ротора ствара усисни ефекат који покреће чврсто–течни материјал између статора и ротора, где се чврста материја уситњава на мање честице.
Принцип рада хомогенизатора високог притиска (HPH) заснива се на употреби пумпе високог притиска и вентила (млазнице, отвора), што ову опрему чини великом, тешком и скупом. Суспензија која се обрађује потискује се великом брзином струјања кроз мали отвор, чиме се смањује величина честица, јер честице морају бити довољно мале да би прошле кроз вентил. Хомогенизатори високог притиска склони су зачепљењу, нарочито при обради чврстих материја.
Ултразвучни хомогенизатори користе снажне силе смицања настале акустичном кавитацијом, што им даје различите предности у односу на друге технике хомогенизације. Принцип рада и предности ултразвучне хомогенизације представљени су у наставку.

Ултразвук велике снаге као сила хомогенизације

Ултразвучни хомогенизатор користи ултразвучне вибрације високог интензитета и кавитацију за стварање веома интензивних сила смицања, па се стога може назвати мешалицом са изузетно интензивним смицањем. Тајна изузетно интензивних сила смицања лежи у акустичној кавитацији, коју стварају ултразвучни таласи велике снаге. Ултразвучни хомогенизатор има генератор, који служи као јединица за напајање и управљање, и претварач. Претварач садржи пиезоелектричну керамику. Ова пиезоелектрична керамика претвара електричну енергију у осцилације, јер пиезоелектрични кристали мењају величину и облик када се примени напон. Када је фреквенција електронског осцилатора једнака сопственој фреквенцији пиезоелектричног кварца, долази до резонанције. У условима резонанције, кварц производи уздужне ултразвучне таласе велике амплитуде.
Настали ултразвучни таласи се затим преко ултразвучне сонде (сонотроде / рога) спрежу са процесним медијумом и преносе у њега. Амплитуда на ултразвучној сонди одређује интензитет ултразвучних таласа који се преносе у течност или суспензиону смешу. Ултразвучни таласи стварају наизменичне циклусе високог и ниског притиска у течним медијумима. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће у течности. Током циклуса високог притиска, мали вакуумски мехурићи деструктивно колабирају. Ова појава се назива кавитација. Имплозија кавитационих мехурића може такође створити млазеве течности велике брзине, до 280 m/s, што доводи до настанка снажних сила смицања. Силе смицања разбијају честице, изазивају међучестичне сударе и механички разарају капљице и ћелије, истовремено подстичући високоефикасан пренос масе. Ове кавитационе силе производе уједначене и хомогене дисперзије, емулзије и суспензије, а познато је и да подстичу хемијске реакције (такозвану сонохемију).

Акустична кавитација (настала дејством ултразвука велике снаге) ствара локално екстремне услове, такозване сономеханичке и сонохемијске ефекте. Захваљујући овим ефектима, соникација уситњава чврсте и течне честице и меша их у хомогену формулацију.

Предности употребе соникатора као хомогенизатора

Ултразвучни хомогенизатори су супериорни када је реч о производњи чврсто–течних (такозваних суспензионих смеша) и течно–течних суспензија и раствора. Пошто ултразвучни уређаји раде на принципу ултразвучне кавитације, материјал треба да буде влажан или у влажној фази, јер се кавитација јавља само у течности. То значи да ултразвучни уређај не би био веома ефикасан за мешање сувог праха, али чим се прах овлажи, соникација је најефикаснија метода мешања. Ултразвучни хомогенизатори су добро познати по томе што поуздано мешају, сједињују и диспергују чак и пасте и високовискозне материјале. Изузетно интензивне силе изазване имплозијом кавитационих мехурића стварају не само веома снажне силе смицања већ и локално ограничене високе температуре и притиске, као и одговарајуће разлике у температури и притиску. Ова комбинација физичких сила уситњава честице до знатно мањих величина него конвенционални хомогенизатор. Зато су ултразвучни хомогенизатори пожељна опрема за поуздану производњу емулзија и дисперзија нанометарских величина.

Примене ултразвучних хомогенизатора

Ултразвучни хомогенизатори се широко користе у лабораторијским и индустријским постројењима за хомогенизацију суспензија чврсто–течно и течно–течно, смањење величине честица, разарање и екстракцију биолошког материјала, интензивирање хемијских реакција и растварање растворљивих једињења.

Ултразвучна емулзификација

Емулзификација је процес мешања две или више течности које се међусобно не мешају ради добијања стабилне или полустабилне смеше. Уопштено, ове две течности чине уљна фаза и водена фаза. За стабилизацију смеше различитих течних фаза додаје се емулгатор (сурфактант / косурфактант). Величина капљица емулзије има кључну улогу у функционалности и стабилности емулзије. Пошто ултразвук велике снаге ствара сономеханичке силе које разбијају капљице и уситњавају их до веома малих капљица, соникација је веома популарна метода за производњу емулзија микрометарских и нанометарских величина. Ултразвучни хомогенизатори су поуздан алат за производњу O/W и W/O емулзија, инверзних емулзија, двоструких емулзија (O/W/O, W/O/W), миниемулзија, као и Пикерингових емулзија. Захваљујући овој флексибилности и поузданој способности емулговања, ултразвучни хомогенизатори (који се понекад називају и ултразвучним емулгаторима када се користе за емулзификацију) користе се, на пример, у хемијској, прехрамбеној, фармацеутској индустрији и индустрији горива за производњу дугорочно стабилних емулзија.
Кликните на следеће везе да бисте сазнали више о наноемулзијама и Пикеринговим емулзијама!

Ултразвучно дисперговање

Ултразвучни хомогенизатори су веома ефикасни када је потребно поуздано смањити величину агломерата, агрегата, па чак и примарних честица. Предност ултразвучних хомогенизатора је њихова способност да млевењем уситне честице до мањих и уједначенијих величина, без обзира на то да ли су циљни резултат процеса микрочестице или наночестице. Кавитационе силе смицања и струје течности убрзавају честице тако да се оне међусобно сударају. Ова појава је позната као међучестични судар. Саме честице делују као медијум за млевење, чиме се избегавају контаминација куглицама за млевење и накнадни процес сепарације, који је неопходан када се користе конвенционални млинови са куглицама. Пошто се честице међусобно сударају при веома великим брзинама до 280m/sec, на њих делују изузетно велике силе, услед чега се распадају на веома ситне фрагменте. Трење и ерозија дају овим фрагментима честица углачану површину и уједначен облик. Комбинација сила смицања и међучестичних судара даје предност ултразвучној хомогенизацији и дисперговању, омогућавајући добијање веома хомогених колоидних суспензија и дисперзија!
Низ слика испод приказује деловање кавитационих сила ултразвука на графитне љуспице.

Низ кадрова снимљених великом брзином (од a до f) који приказују сономеханичку ексфолијацију графитне љуспице у води помоћу уређаја UP200S, ултрасоникатора снаге 200W са сонотродом од 3-mm. Стрелице показују место раздвајања (ексфолијације), при чему кавитациони мехурићи продиру у расцеп.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Дисперговање и хомогенизација наноматеријала

И код емулзија и код дисперзија, припрема смеша нанометарских величина представља изазован задатак. Већина конвенционалних техника хомогенизације и мешања, као што су мешалице са лопатицама, млинови са куглицама, хомогенизатори високог притиска и друге мешалице, може да произведе честице микрометарских величина, али не може поуздано да уситни капљице и чврсте материје до нанометарских величина. То је углавном последица недовољног интензитета. На пример, мешалице са лопатицама не обезбеђују довољно смицање за уситњавање честица до нанометарских величина. Млинови са куглицама, друга врста хомогенизатора, не могу равномерно да самељу чврсте материје до величине честица мање од самих куглица (медијума за млевење). Конвенционалне куглице за млевење имају просечну величину између 1.500 mm и 35.000 mm. Други проблем је контаминација услед хабања медијума за млевење. Пошто ултразвучни уређаји обезбеђују изузетно велике, а ипак прецизно контролисане силе смицања, ултразвучна кавитација је пожељна техника за поуздану производњу нанодисперзија и наноемулзија у лабораторијским (истраживање и развој), пилотским и индустријским постројењима.

Повећање размера процеса ултразвучне хомогенизације

При преласку са лабораторијског ултразвучног хомогенизатора на пилотски ултразвучни уређај и са пилотског система на ултразвучни хомогенизатор за производњу у пуном обиму, повећање размера може бити потпуно линеарно! Сви важни процесни параметри, као што су амплитуда, притисак, температура и време обраде, одржавају се константним, док се само површина ултразвучне сонде и ултразвучни уређај као енергетски побуђивач сонде повећавају на веће, снажније јединице. Могућност линеарног повећања размера процеса ултразвучне хомогенизације омогућава да се у великој производњи добију исти висококвалитетни резултати као у лабораторијским и пилотским условима.

Пронађите најпогоднији ултразвучни хомогенизатор за свој процес!

Hielscher Ultrasonics је ваш партнер са дугогодишњим искуством у области ултразвучних хомогенизатора. Сви Hielscher ултразвучни уређаји пројектују се, производе и испитују у нашем седишту у Немачкој пре него што их испоручимо купцима широм света. Hielscher ултразвучни хомогенизатори су висококвалитетни уређаји које одликују стално високе перформансе, поузданост, робусност и једноставна употреба. Техничка усавршеност технологије ултразвучне хомогенизације пружа корисницима Hielscher опреме конкурентске предности које их чине тржишним лидерима у њиховој индустрији. Уз широк асортиман производа, од лабораторијских и стоних хомогенизатора, преко пилотских система, до потпуно индустријских ултразвучних хомогенизатора за комерцијалну производњу, Hielscher има идеалан систем ултразвучног мешања за ваше захтеве. Разноврсна додатна опрема омогућава идеалну конфигурацију ултразвучног хомогенизатора – усклађену са индивидуалним потребама.
Реците нам захтеве и спецификације свог процеса – радо ћемо вам препоручити најпогоднији и најефикаснији ултразвучни хомогенизатор за вашу примену!

Висока ефикасност употребом ултразвучних хомогенизатора

Захваљујући изузетној ефикасности процеса, разумним инвестиционим трошковима, веома високој енергетској ефикасности и ниским трошковима рада и одржавања, Hielscher ултразвучни хомогенизатори надмашују конвенционалне технике хомогенизације и омогућавају брз повраћај инвестиције (RoI). Ултразвучни хомогенизатор се често исплати у року од неколико месеци.

Ултразвук велике снаге за индустријску хомогенизацију

Амплитуда је најважнији процесни параметар у процесима хомогенизације који се заснивају на ултразвуку. Сви Hielscher ултразвучни уређаји омогућавају прецизну контролу амплитуде. У зависности од циља процеса, може се подесити нижа амплитуда за блаже услове обраде или се бира висока амплитуда за резултате дисперговања са израженијим разарањем честица. Hielscher индустријски соникатори могу да постигну веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.

Мали захтеви за одржавање ултразвучних хомогенизатора

Ултразвучни хомогенизатори се, између осталог, лако чисте јер су сонотрода и реактор једине компоненте које се квасе и долазе у контакт са материјалом који се обрађује. Сонотрода (позната и као ултразвучни рог или сонда) израђена је од титанијума, а реактор од нерђајућег челика, и имају једноставну геометрију без отвора или мртвих углова.
Једини део који је подложан хабању јесте ултразвучна сонда, која се може заменити без значајног прекида рада. Сонотрода лабораторијског ултразвучног уређаја мења се за приближно 10 min, док замена сонотроде индустријског ултразвучног хомогенизатора може трајати приближно 30–45 min.

Контактирајте нас сада! Наш тим са богатим искуством радо ће вам пружити техничке информације и препоруке у вези са процесом!

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: