Homogenisatorer – funktionsprincip, användning och uppskalning

Homogenisatorer är en typ av blandare som använder mekaniska krafter för att blanda, emulgera, dispergera och lösa upp vätska–vätska- och fastämne–vätska-system. Beroende på homogenisatormodell används rotationsbaserad skjuvning, munstycken eller högeffektsultraljud för att skapa de krafter som krävs för att sönderdela och bryta upp såväl fasta partiklar som vätskedroppar. Läs mer om homogenisatorer och deras tillämpningar inom forskning och produktion!

Vad är en homogenisator?

En homogenisator är en typ av blandningsutrustning som är utformad för att sönderdela såväl fasta partiklar som vätskedroppar till en enhetlig blandning. Homogenisatorer finns som laboratorieutrustning, bänkutrustning och industriell utrustning för olika tillämpningar inom forskning och industri. Typiska tillämpningar för homogenisatorer omfattar blandning och sönderdelning av olika material, bland annat partiklar, pigment, kemikalier, växter, livsmedel, celler och vävnader.

Kontakta oss för att få veta mer om homogenisatorer, ultraljudsbehandling och hur du kan använda våra ultraljudsapparater i din process!

Översikt över olika typer av homogenisatorer

Olika typer av homogenisatorer finns kommersiellt tillgängliga för produktion i bänkskala och industriell storskalig produktion. Rotor/stator-blandare (kolloidblandare), högtryckshomogenisatorer och ultraljudshomogenisatorer är dock de mest använda modellerna.
Impeller- eller bladblandare har ett roterande blad som roterar med hög hastighet vid blandningskärlets botten och därigenom sammanför olika material till en homogen blandning.
Som namnet rotor/stator-blandare antyder har en rotor/stator-blandare en rotor och en stator. Rotorn är en metallaxel som roterar med hög hastighet inuti statorn. Statorn är den metalldel som förblir stillastående. Rotorns rotation skapar en sugeffekt som för materialet av fasta ämnen och vätska mellan statorn och rotorn, där de fasta ämnena finfördelas till mindre partiklar.
Högtryckshomogenisatorns (HPH) funktionsprincip bygger på användning av en högtryckspump och en ventil (munstycke, öppning), vilket gör utrustningen stor, tung och dyr. Suspensionen som behandlas pressas med hög strömningshastighet genom en liten öppning, vilket minskar partikelstorleken eftersom partiklarna måste ha en viss liten storlek för att kunna passera genom ventilen. Särskilt vid bearbetning av fasta ämnen är högtryckshomogenisatorer benägna att sättas igen.
Ultraljudshomogenisatorer använder de starka skjuvkrafter som genereras av akustisk kavitation, vilket ger dem flera fördelar jämfört med andra homogeniseringstekniker. Funktionsprincipen för och fördelarna med ultraljudshomogenisering presenteras nedan.

Högeffektsultraljud som homogeniserande kraft

En ultraljudshomogenisator använder högintensiva ultraljudsvibrationer och kavitation för att skapa mycket intensiva skjuvkrafter och kan därför kallas en superintensiv blandare med höga skjuvkrafter. Hemligheten bakom de superintensiva skjuvkrafterna är akustisk kavitation, som genereras av ultraljudsvågor med hög effekt. En ultraljudshomogenisator har en generator, som utgör strömförsörjnings- och styrenheten, samt en ultraljudsomvandlare. Ultraljudsomvandlaren innehåller piezoelektrisk keramik. Denna piezoelektriska keramik omvandlar den elektriska energin till svängningar, eftersom de piezoelektriska kristallerna ändrar storlek och form när spänning läggs på. När den elektroniska oscillatorns frekvens är lika med den piezoelektriska kvartsens egenfrekvens uppstår resonans. Under resonansförhållanden alstrar kvartsen longitudinella ultraljudsvågor med stor amplitud.
De genererade ultraljudsvågorna kopplas sedan in i processmediet via ultraljudssonden (sonotroden / hornet). Amplituden vid ultraljudssonden avgör intensiteten hos de ultraljudsvågor som överförs till vätskan eller uppslamningen. Ultraljudsvågorna genererar omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler i vätskemedier. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor i vätskan. Under högtryckscykeln kollapsar de små vakuumbubblorna destruktivt. Detta fenomen kallas kavitation. Implosionen av kavitationsbubblor kan också generera vätskestrålar med en hög hastighet på upp till 280 m/s, vilket ger upphov till kraftiga skjuvkrafter. Skjuvkrafterna bryter sönder partiklarna, orsakar kollisioner mellan partiklar och sönderdelar droppar och celler mekaniskt, samtidigt som de främjar en mycket effektiv massöverföring. Dessa kavitationskrafter ger enhetliga och homogena dispersioner, emulsioner och suspensioner och är också kända för att främja kemiska reaktioner (så kallad sonokemi).

Akustisk kavitation (genererad av ultraljud med hög effekt) skapar lokalt extrema förhållanden, så kallade sonomekaniska och sonokemiska effekter. Genom dessa effekter minskar ultraljudsbehandling storleken på fasta och flytande partiklar och blandar dem till en homogen formulering.

Fördelar med att använda ultraljudsapparater som homogenisatorer

Ultraljudshomogenisatorer är överlägsna när det gäller framställning av suspensioner och lösningar i system av typen fast ämne–vätska (så kallade uppslamningar) och vätska–vätska. Eftersom ultraljudsapparater arbetar enligt principen för ultraljudskavitation bör materialet vara vått eller befinna sig i en våt fas, eftersom kavitation endast uppstår i vätska. Detta innebär att en ultraljudsapparat inte skulle vara särskilt effektiv för att blanda ett torrt pulver, men så snart pulvret väts är ultraljudsbehandling den effektivaste blandningsmetoden. Ultraljudshomogenisatorer är välkända för att tillförlitligt blanda, sammanblanda och dispergera även pastor och mycket viskösa material. De utomordentligt intensiva krafter som orsakas av kavitationsbubblornas implosion skapar inte bara mycket kraftiga skjuvkrafter utan även lokalt begränsade höga temperaturer och tryck samt motsvarande temperatur- och tryckskillnader. Denna kombination av fysikaliska krafter sönderdelar partiklar till mycket mindre storlekar än en konventionell homogenisator. Därför är ultraljudshomogenisatorer den föredragna utrustningen för tillförlitlig framställning av emulsioner och dispersioner i nanostorlek.

Användningsområden för ultraljudshomogenisatorer

Ultraljudshomogenisatorer används i stor utsträckning i laboratorier och industrianläggningar för att homogenisera suspensioner av fasta ämnen i vätskor och av vätskor i vätskor, minska partikelstorleken, sönderdela och extrahera biologiskt material, intensifiera kemiska reaktioner och lösa upp lösliga föreningar.

Ultraljudsemulgering

Emulgering är processen där två eller fler icke blandbara vätskor blandas för att framställa en stabil eller halvstabil blandning. I allmänhet består dessa två vätskor av en oljefas och en vattenfas. För att stabilisera blandningen av de olika vätskefaserna tillsätts ett emulgeringsmedel (tensid / hjälptensid). Droppstorleken i en emulsion spelar en avgörande roll för emulsionens funktion och stabilitet. Eftersom högeffektultraljud skapar sonomekaniska krafter som bryter upp droppar och minskar dem till ytterst små droppar, är ultraljudsbehandling en mycket populär metod för framställning av mikro- och nanoemulsioner. Ultraljudshomogenisatorer är ett tillförlitligt verktyg för framställning av O/W- och W/O-emulsioner, inversa emulsioner, dubbelemulsioner (O/W/O, W/O/W), miniemulsioner samt Pickering-emulsioner. Tack vare denna flexibilitet och den tillförlitliga emulgeringsförmågan används ultraljudshomogenisatorer (ibland även kallade ultraljudsemulgatorer när de används för emulgering) exempelvis inom kemi-, livsmedels-, läkemedels- och bränsleindustrin för att framställa långtidsstabila emulsioner.
Klicka på följande länkar för att läsa mer om nanoemulsioner och Pickering-emulsioner!

Ultraljudsdispergering

Ultraljudshomogenisatorer är mycket effektiva när partikelagglomerat, aggregat och till och med primärpartiklar måste minskas i storlek på ett tillförlitligt sätt. Fördelen med ultraljudshomogenisatorer är deras förmåga att mala partiklar till mindre och mer enhetliga partikelstorlekar, oavsett om processens mål är partiklar i mikrometer- eller nanometerstorlek. Skjuvkrafter från kavitation och vätskeströmmar accelererar partiklar så att de kolliderar med varandra. Detta kallas kollisioner mellan partiklar. Partiklarna själva fungerar som malningsmedium, vilket förhindrar förorening från malkulor och gör att den efterföljande separationsprocess som krävs vid användning av konventionella kulkvarnar kan undvikas. Eftersom partiklarna kolliderar med varandra vid mycket höga hastigheter på upp till 280m/sec utsätts de för extraordinärt stora krafter och splittras därför i ytterst små fragment. Friktion och erosion ger dessa partikelfragment en polerad yta och en enhetlig form. Kombinationen av skjuvkrafter och kollisioner mellan partiklar ger ultraljudshomogenisering och ultraljudsdispergering ett försprång genom att ge mycket homogena kolloidala suspensioner och dispersioner!
Bildsekvensen nedan visar ultraljudets kavitationskrafter på grafitflingor.

En höghastighetssekvens av bilder (från a till f) som visar sonomekanisk exfoliering av en grafitflinga i vatten med UP200S, en 200W-ultraljudsapparat med en 3-mm-sonotrod. Pilarna visar var uppspaltningen (exfolieringen) sker, med kavitationsbubblor som tränger in i spalten.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispergering och homogenisering av nanomaterial

För både emulsioner och dispersioner är framställning av blandningar i nanoskala en utmanande uppgift. De flesta konventionella homogeniserings- och blandningstekniker, såsom bladblandare, pärlkvarnar, högtryckshomogenisatorer och andra blandare, kan producera partiklar i mikrometerskala, men de kan inte tillförlitligt finfördela droppar och fasta ämnen till nanoskala. Detta beror främst på otillräcklig intensitet. Bladblandare ger till exempel inte tillräcklig skjuvning för att finfördela partiklar till nanoskala. Pärlkvarnar, en annan typ av homogenisator, kan inte mala fasta ämnen jämnt till en finare partikelstorlek än själva pärlorna (malmediet). Konventionella malpärlor har en genomsnittlig storlek mellan 1 500 mm och 35 000 mm. Ett annat problem är föroreningar från slitage på malmediet. Eftersom ultraljudsapparater ger utomordentligt höga skjuvkrafter som samtidigt kan styras exakt, är ultraljudskavitation den föredragna tekniken för tillförlitlig framställning av nanodispersioner och nanoemulsioner i laboratorier (FoU), pilotanläggningar och industrianläggningar.

Uppskalning av homogeniseringsprocesser med ultraljud

Vid uppskalning från en ultraljudshomogenisator för laboratoriebruk till en ultraljudsapparat för pilotdrift, och från ett pilotsystem till en ultraljudshomogenisator för fullskalig produktion, kan uppskalningen genomföras helt linjärt! Alla viktiga processparametrar, såsom amplitud, tryck, temperatur och behandlingstid, hålls konstanta. Endast ultraljudssondens yta och ultraljudsapparaten som driver sondens vibrationer skalas upp till större, kraftfullare enheter. Den linjära skalbarheten hos homogeniseringsprocesser med ultraljud gör det möjligt att uppnå samma högkvalitativa resultat i storskalig produktion som i laboratorie- och pilotanläggningar.

Hitta den ultraljudshomogenisator som passar bäst för din process!

Hielscher Ultrasonics är din partner med mångårig erfarenhet av ultraljudshomogenisatorer. Alla Hielschers ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas vid vårt huvudkontor i Tyskland innan vi skickar dem till våra kunder världen över. Hielschers ultraljudshomogenisatorer är högkvalitativa apparater som kännetecknas av konstant hög prestanda, tillförlitlighet, robusthet och användarvänlighet. Den tekniskt avancerade homogeniseringstekniken med ultraljud ger användare av Hielschers utrustning konkurrensfördelar som gör dem till marknadsledare inom sin bransch. Med det breda produktsortimentet av laboratorie- och bänkhomogenisatorer, pilotsystem och helt industriella ultraljudshomogenisatorer för kommersiell produktion har Hielscher det idealiska ultraljudsblandningssystemet för dina krav. Det mångsidiga tillbehörsutbudet möjliggör en idealisk konfiguration av ultraljudshomogenisatorn – anpassad efter individuella behov.
Berätta om dina processkrav och specifikationer – vi rekommenderar gärna den ultraljudshomogenisator som är lämpligast och effektivast för din tillämpning!

Hög effektivitet med ultraljudshomogenisatorer

Tack vare enastående processeffektivitet, rimliga investeringskostnader, mycket hög energieffektivitet och låga personal- och underhållskostnader överträffar Hielschers ultraljudshomogenisatorer konventionella homogeniseringstekniker och ger snabb avkastning på investeringen (RoI, Return on Investment). Ofta har en ultraljudshomogenisator betalat sig inom några månader.

Högeffektsultraljud för industriell homogenisering

Amplituden är den viktigaste processparametern i ultraljudsdrivna homogeniseringsprocesser. Alla ultraljudsapparater från Hielscher möjliggör exakt styrning av amplituden. Beroende på processmålet kan en lägre amplitud ställas in för skonsammare processförhållanden eller en hög amplitud väljas för mer nedbrytande dispergeringsresultat. Hielschers industriella ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Låga underhållskrav för ultraljudshomogenisatorer

Ultraljudshomogenisatorer är inte bara lätta att rengöra, eftersom sonotroden och reaktorn är de enda vätskeberörda komponenterna och kommer i kontakt med det bearbetade materialet. Sonotroden (även kallad ultraljudshorn eller ultraljudssond) och reaktorn är tillverkade av titan respektive rostfritt stål och har rena geometrier utan öppningar eller döda hörn.
Den enda del som utsätts för slitage är ultraljudssonden, som kan bytas ut utan betydande avbrott i driften. Sonotroden på en ultraljudsapparat för laboratoriebruk byts inom cirka 10 min, medan bytet av en sonotrod på en industriell ultraljudshomogenisator kan ta cirka 30–45 min.

Kontakta oss nu! Vårt mycket erfarna team ger gärna teknisk information och processrelaterade rekommendationer!

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: