Homogenisatorer – Arbetsprincip, användning och uppskalning

Homogenisatorer är en typ av blandare, som applicerar mekaniska krafter för att blanda, emulgera, sprida och lösa upp flytande och fasta flytande system. Beroende på homogeniseringsmodellen används rotationsskjuvning, munstycken eller högeffekt ultraljud för att skapa de nödvändiga krafterna för att sönderdela och bryta upp fasta partiklar samt flytande droppar. Läs mer om homogeniseringsenheter och deras tillämpningar inom forskning och produktion!

Vad är en homogenisator?

En homogenisator är en klass av blandningsanordningar, som är utformade för att bryta partiklar, både fasta och flytande, i en enhetlig blandning. Homogenisatorer finns som laboratorium, bänkskiva och industriell utrustning som används för olika tillämpningar inom forskning och industri. Typisk tillämpning av homogenisator inkluderar blandning och sönderfall av olika material, inklusive partiklar, pigment, kemikalier, växter, mat, celler, vävnader, bland andra.

Översikt över olika homogeniseringstyper

Olika homogenisatortyper är kommersiellt tillgängliga för användning i bänkskiva och industriell storskalig produktion. Rotor/stator (kolloid) blandare, högtryck homogenisatorer, och ultraljud homogenisatorer är dock de mest använda modellerna.
Pumphjuls- eller bladblandare ha ett snurrande blad, som roterar med hög hastighet i botten av blandningskärlet och därigenom kombinerar olika material till en homogen blandning.
Som namnet på rotor/statorblandare redan innebär att en rotor/statorblandare har en rotor och en statorkomponent. Rotorn är en metallaxel som roterar vid höga hastigheter i statorn. Statorn är metalldelen som förblir stillastående. Rotorns rotation skapar en sugeffekt som flyttar det fasta flytande materialet mellan statorn och rotorn, där fasta ämnen reduceras till mindre partikelstorlek.
Arbetsprincipen för högtryckshomomisering (HPH) är baserad på användningen av en högtryckspump och en ventil (munstycke, öppning), vilket gör utrustningen stor, tung och dyr. Den bearbetade slammet tvingas med hög flödeshastighet genom en liten öppning, vilket minskar partikelstorleken eftersom partiklar kräver en viss liten storlek för att passera genom ventilen. Speciellt vid bearbetning av fasta ämnen är HPHs benägna att täppa till.
Ultraljud Homogenisatorer använd de höga skjuvningskrafterna som genereras av akustisk kavitation, vilket ger dem olika fördelar jämfört med andra homogeniserande tekniker. Arbetsprincipen och fördelarna med ultraljud homogenisering presenteras nedan.

Hög effekt ultraljud som homogeniserande kraft

En ultraljud homogenisator använder högintensiva ultraljud vibrationer och kavitation för att skapa mycket intensiva skjuvning krafter och kan därför kallas en super-intensiv hög skjuvning mixer. Hemligheten bakom de superintensiva högskjuvningskrafterna är akustisk kavitation, som genereras av högeffektiva ultraljudsvågor. En ultraljud homogenisator har en generator, som är strömförsörjning och styrenhet, och en givare. Givaren innehåller piezoelektrisk keramik. Dessa piezoelektriska keramik omvandlar den elektriska energin till svängning, eftersom de piezoelektriska kristallerna ändrar storlek och form när spänning appliceras. När frekvensen av den elektroniska oscillatorn är lika med den naturliga frekvensen av den piezoelektriska kvartsen uppstår resonans. Under resonansförhållanden producerar kvartsen längsgående ultraljud vågor av stor amplitud.
De genererade ultraljudsvågorna kopplas sedan via ultraljudssonden (sonotrode / horn) i processmediet. Amplituden vid ultraljudssonden bestämmer intensiteten av ultraljudsvågor, som överförs till vätskan eller slammet. Ultraljud vågor genererar alternerande högtryck och lågtryck cykler i flytande medier. Under lågtryckscykeln producerar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor i vätskan. Under högtryckscykeln kollapsar små vakuumbubblor destruktivt. Detta fenomen kallas kavitation. Implosion av kavitationsbubblor kan också generera flytande jetstrålar med en hög hastighet på upp till 280 m/s, vilket resulterar i kraftfulla skjuvkrafter. Skjuvkrafterna bryter partiklarna, orsakar kollision mellan partiklar och stör droppar och celler mekaniskt, vilket samtidigt främjar en mycket effektiv massöverföring. Dessa kavitationskrafter producerar enhetliga och homogena dispersioner, emulsioner och suspensioner och är också kända för att främja kemiska reaktioner (så kallad sonochemistry).

Akustisk kavitation (genererad av högeffekt ultraljud) skapar lokalt extrema förhållanden, så kallade sonomechanical och sonochemical effekter. På grund av dessa effekter minskar ultraljudsbehandling fasta och flytande partiklar och blandar dem i en homogen formulering.

Ultraljud Homogenisatorer – Fördelar

Ultraljud homogenisatorer är överlägsen, när det gäller produktion av fast vätska (så kallade slam) och vätske-flytande suspensioner och lösningar. Eftersom ultrasonicators använder arbetsprincipen för ultraljud kavitation, bör materialet vara vått eller i en våt fas, eftersom kavitation endast sker i vätska. Detta innebär att en ultraljudsator inte skulle vara särskilt effektiv i att blanda ett torrt pulver, men så snart pulvret blir vått, ultraljudsbehandling är den mest effektiva metoden för blandning. Ultraljud homogenisatorer är välkända för att tillförlitligt blanda, blanda och sprida även pastor och mycket trögflytande material. De utomordentligt intensiva krafter som orsakas av implosionen av kavitationsbubblor skapar inte bara mycket kraftfulla högskjuvningskrafter utan också lokalt begränsade höga temperaturer och tryck samt respektive differentialer. Dessa kombinationer av fysiska krafter stör partiklar till mycket mindre storlekar än en konventionell homogenisator. Därför är ultraljud homogenisatorer den föredragna utrustningen för tillförlitlig produktion av nanostora emulsioner och dispersioner.

Tillämpningar av ultraljud homogenisatorer

Ultraljud homogenisatorer används ofta i laboratorie- och industrianläggningar för att homogenisera fasta flytande och flytande-flytande suspensioner, minska partikelstorlek, störa och extrahera biologiskt material, intensifiera kemiska reaktioner och lösa lösliga föreningar.

Ultraljud emulgering

Emulgering är processen att blanda två eller flera omisskännliga vätskor tillsammans för att förbereda en stabil eller semistable blandning. I allmänhet består dessa två vätskor av en oljefas och en vattenfas. För att stabilisera blandningen av de olika vätskefaserna tillsätts en emulgeringsmedel (tensid / co-tensid). Droppstorleken på en emulsion spelar en avgörande roll när det gäller funktionaliteten och stabiliteten hos en emulsion. Eftersom power-ultraljud skapar sonomekaniska krafter, som bryter upp droppar och reducerar dem till minutdroppar, är ultraljudsbehandling en mycket populär metod för produktion av mikron- och nanoemulsioner. Ultraljud homogenisatorer är ett pålitligt verktyg för produktion av O / W och W / O emulsioner, inverterade emulsioner, dubbla emulsioner (O / W / O, W / O / W), mini-emulsioner samt Pickering emulsioner. Baserat på denna flexibilitet och den tillförlitliga emulgeringskapaciteten används ultraljud homogenisatorer (ibland även kallade ultraljud emulgeringsmedel när de används för emulgering) t.ex. i kemi-, livsmedels-, läkemedels- och bränsleindustrin för att producera långsiktiga stabila emulsioner.
Klicka på följande länkar för att lära dig mer om Nano-emulsioner, och Pickering emulsioner!

ultraljuds~~POS=TRUNC Dispersion

Ultraljud homogenisatorer är mycket effektiva när partikel agglomerates, aggregat och även primära partiklar måste minskas tillförlitligt i storlek. Fördelen med ultraljud homogenisatorer är deras förmåga att fräsa partiklar ner till mindre och mer enhetliga partiklar storlekar, oavsett om mikron- eller nanopartiklar är riktade som processresultat. Kavitationsskjuvningskrafter och vätskeströmmar accelererar partiklar så att de kolliderar med varandra. Detta kallas interpartikelkollision. Partiklarna själva fungerar som fräsmedel, vilket undviker förorening genom slipning av pärlor och den efterföljande separationsprocessen, vilket är nödvändigt när konventionella pärlkvarnar används. Eftersom partikeln kolliderar genom interpartikelkollision vid mycket höga hastigheter på upp till 280 m/sek, gäller utomordentligt höga krafter för partiklarna, som därför splittras i minutfraktioner. Friktion och erosion ger dessa partikelfragment en polerad yta och jämnt formad form. Kombinationen av skjuvkrafter och interpartikelkollision ger ultraljud homogenisering och spridning den fördelaktiga kanten levererar mycket homogena kolloidala suspensioner och dispersioner!
Bildsekvensen nedan visar de kavitationella krafterna av ultraljud på grafitflingor.

En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sonomekanisk exfoliering av en grafitflake i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultrasonicator med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Spridning och homogenisering av nanomaterial

För både emulsioner och dispersioner är beredningen av nanostora blandningar en utmanande uppgift. De flesta konventionella homogeniserings- och blandningstekniker som bladblandare, pärlkvarnar, högtryckshomogenisatorer och andra blandare kan producera mikronstora partiklar, men de kan inte på ett tillförlitligt sätt bryta droppar och fasta ämnen ner till nanostorlek. Detta beror främst på otillräcklig intensitet. Till exempel ger bladblandare inte tillräckligt med skjuvning för att bryta partiklar till nanostorlek. Pärlkvarnar, en annan typ av homogenisator, kan inte fräsa fasta ämnen enhetligt till en finare partikelstorlek än pärlorna (slipmedia) själv. Konventionella slippärlor har en genomsnittlig storlek mellan 1 500 mm – 35 000 mm. Ett annat problem är föroreningen genom slitage på fräsmediet. Eftersom ultrasonicators ger utomordentligt höga, men exakt kontrollerbara skjuvkrafter, ultraljud kavitation är den föredragna tekniken för tillförlitlig produktion av nano-dispersion och nano-emulsioner i lab (R&D), pilot- och industriinställningar.

Uppskalning av ultraljud homogeniserande processer

När du skalar upp från ett laboratorium ultraljud homogenisator till en pilot ultraljud, och från ett pilotsystem till en fullskalig produktion ultraljud homogenisator, kan uppskalningen tillämpas helt linjär! Alla viktiga processparametrar som amplitud, tryck, temperatur och bearbetningstid hålls konstant, endast ytan av ultraljudssonden och ultraljudsatorn som energisk omrörare av sonden skalas till större, kraftfullare enheter. Den linjära skalbarheten av ultraljud homogeniseringsprocesser gör det möjligt att få i stor produktion samma högkvalitativa resultat som i labb och pilot inställningar.

Hitta den mest lämpliga ultraljud homogenisatorn för din process!

Hielscher Ultrasonics är du långvarig erfaren partner för ultraljud homogenisatorer. Alla Hielscher ultrasonicators är konstruerade, tillverkade och testade i vårt huvudkontor i Tyskland innan vi skickar dem till våra kunder över hela världen. Hielscher ultraljud homogenisatorer är högkvalitativa enheter charcterized av konstant hög prestanda, tillförlitlighet, robusthet, och användarvänlighet. Teknisk sofistikering av ultraljud homogenisering teknik ge användarna av Hielscher utrustning konkurrensfördelar, vilket gör dem till marknadsledande i sin bransch. Med det breda produktsortimentet från labb och bänk-top homogenisatorer, pilotsystem och fullindustriella ultraljud homogenisatorer för kommersiella produktioner, Hielscher har det perfekta ultraljud blandningssystem för dina krav. Grenrörstillbehören möjliggör den perfekta ultraljudshomogenizerinställningen – som matchar individuella behov.
Berätta för oss dina processkrav och specifikationer – Vi rekommenderar dig gärna den mest lämpliga och effektiva ultraljud homogenisatorn för din applikation!

Hög effektivitet med ultraljud homogenisatorer

På grund av extraordinär processeffektivitet, rimliga investeringskostnader, mycket hög energieffektivitet och låga arbets- och underhållskostnader, Hielscher ultraljud homogenisatorer konkurrerar ut konventionella homogeniseringstekniker och uppnår en snabb RoI (Return on Investment). Ofta amorteras en ultraljud homogenisator inom några månader.

Hög effekt ultraljud för industriell homogenisering

Amplituden är den viktigaste processparametern i ultraljudsdrivna homogeniseringsprocesser. Alla Hielscher ultrasonicators tillåter den exakta kontrollen över amplituden. Beroende på processmålet kan en lägre amplitud ställas in för mildare bearbetningsförhållanden eller en hög amplitud väljs för mer destruktiva spridningsresultat. Hielscher Ultraljud’ industriella ultraljud processorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotrodes.

Låga underhållskrav för ultraljud homogenisatorer

Ultraljud homogenisatorer är inte bara lätta att rengöra eftersom sonotrode och reaktor är de enda komponenterna som är våta delar och komma i kontakt med det bearbetade materialet. Sonotrode (även känd som ultraljud horn eller sond) och reaktor är tillverkade av titan respektive rostfritt stål, respektive har rena geometrier utan öppningar eller döda hörn.
Den enda delen som är föremål för slitage är ultraljudssonden, som kan bytas ut utan betydande störningar i operationen. Sonotrode av ett labb ultraljudsator ändras inom ca 10 min, medan bytet av en sonotrode av en industriell ultraljud homogenisator kan ta ca 30-45 min.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: