Homogenisatorer – Arbetsprincip, användning och uppskalning

Homogenisatorer är en typ av blandare som applicerar mekaniska krafter för att blanda, emulgera, dispergera och lösa upp vätske-vätska och fast-vätske-system. Beroende på homogeniseringsmodell används rotationsskjuvning, munstycken eller ultraljud med hög effekt för att skapa de krafter som krävs för att sönderfalla och bryta upp fasta partiklar samt vätskedroppar. Lär dig mer om homogenisatorer och deras tillämpningar inom forskning och produktion!

Vad är en homogenisator?

En homogenisator är en klass av blandningsanordningar som är utformade för att bryta ner partiklar, både fasta och flytande, till en enhetlig blandning. Homogenisatorer finns som laboratorie-, bänk- och industriutrustning som används för olika tillämpningar inom forskning och industri. Typisk tillämpning av homogenisator inkluderar blandning och sönderdelning av olika material, inklusive partiklar, pigment, kemikalier, växter, livsmedel, celler, vävnader, bland andra.

Kontakta oss gärna för att lära dig mer om homogenisatorer, ultraljudsbehandling och hur du kan använda våra ultraljudsmätare för din process!

Översikt över olika typer av homogenisatorer

Olika typer av homogenisatorer finns kommersiellt tillgängliga för användning i storskalig produktion av stationära och industriella enheter. Blandare för rotor/stator (kolloid), högtryckshomogenisatorer och ultraljudshomogenisatorer är dock de mest använda modellerna.
Pumphjuls- eller bladblandare har 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-/statorblandaren redan antyder har en rotor/statorblandare en rotor och en statorkomponent. Rotorn är en metallaxel som roterar med höga hastigheter i statorn. Statorn är den metalldel som förblir stillastående. Rotorns rotation skapar en sugeffekt som flyttar det fasta-flytande materialet mellan statorn och rotorn, där de fasta ämnena reduceras till en mindre partikelstorlek.
Arbetsprincipen för högtryckshomogenisatorn (HPH) är baserad på användningen av en högtryckspump och en ventil (munstycke, mynning), vilket gör utrustningen stor, tung och dyr. Den bearbetade slurryn tvingas med hög flödeshastighet genom en liten mynning, vilket minskar partikelstorleken eftersom partiklar kräver en viss liten storlek för att passera genom ventilen. Speciellt vid bearbetning av fasta ämnen är HPH benägna att täppas igen.
Ultraljudshomogenisatorer använder de höga skjuvkrafter som genereras av akustisk kavitation, vilket ger dem olika fördelar jämfört med andra homogeniseringstekniker. Arbetsprincipen och fördelarna med ultraljudshomogenisering presenteras nedan.

Ultraljud med hög effekt som homogeniserande kraft

En ultraljudshomogenisator använder högintensiva ultraljudsvibrationer och kavitation för att skapa mycket intensiva skjuvkrafter och kan därför kallas en superintensiv mixer med hög skjuvning. Hemligheten bakom de superintensiva höga skjuvkrafterna är akustisk kavitation, som genereras av ultraljudsvågor med hög effekt. En ultraljudshomogenisator har en generator, som är strömförsörjnings- och kontrollenheten, och en givare. Givaren innehåller piezoelektriska keramer. Dessa piezoelektriska keramer omvandlar den elektriska energin till svängning, eftersom de piezoelektriska kristallerna ändrar storlek och form när spänning appliceras. När frekvensen för den elektroniska oscillatorn är lika med den naturliga frekvensen för den piezoelektriska kvartsen uppstår resonans. Under resonansförhållanden producerar kvartsen längsgående ultraljudsvågor med stor amplitud.
De genererade ultraljudsvågorna kopplas sedan via ultraljudssonden (sonotrode / horn) in i processmediet. Amplituden vid ultraljudssonden bestämmer intensiteten hos ultraljudsvågor, som överförs till vätskan eller uppslamningen. Ultraljudsvågorna genererar omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler 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 vätskestrålar med en hög hastighet på upp till 280 m/s, vilket resulterar i kraftfulla skjuvkrafter. Skjuvkrafterna bryter sönder partiklarna, orsakar kollision mellan partiklarna 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 sonokemi).

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

Homogenisatorer med ultraljud – Fördelar

Ultraljudshomogenisatorer är överlägsna när det gäller produktion av fast-flytande (så kallade slurries) och flytande-vätskesuspensioner och lösningar. Eftersom ultraljudsapparater använder arbetsprincipen för ultraljudskavitation bör materialet vara vått eller i en våt fas, eftersom kavitation endast sker i vätska. Detta innebär att en ultraljudsapparat inte skulle vara särskilt effektiv vid blandning av ett torrt pulver, men så snart pulvret blir fuktat, ultraljudsbehandling är den mest effektiva metoden för blandning. Ultraljudshomogenisatorer är välkända för att på ett tillförlitligt sätt blanda, blanda och dispergera även pastor och mycket viskösa material. De utomordentligt intensiva krafter som orsakas av implosionen av kavitationsbubblor skapar inte bara mycket kraftfulla höga skjuvkrafter utan också lokalt begränsade höga temperaturer och tryck samt respektive differentialer. Denna kombination av fysikaliska krafter bryter sönder partiklar till mycket mindre storlek än en konventionell homogenisator. Därför är ultraljudshomogenisatorer den föredragna utrustningen för tillförlitlig produktion av emulsioner och dispersioner i nanostorlek.

Tillämpningar av ultraljudshomogenisatorer

Ultraljudshomogenisatorer används i stor utsträckning i laboratorie- och industrianläggningar för att homogenisera fast-vätska och vätska-vätskesuspensioner, minska partikelstorleken, störa och extrahera biologiskt material, intensifiera kemiska reaktioner och lösa upp lösliga föreningar.

Ultraljud emulgering

Emulgering är processen att blanda två eller flera oblandbara vätskor för att framställa en stabil eller halvstabil blandning. I allmänhet består dessa två vätskor av en oljefas och en vattenhaltig (vatten) fas. För att stabilisera blandningen av de olika vätskefaserna tillsätts ett emulgeringsmedel (ytaktivt ämne / samytaktivt ämne). Droppstorleken på en emulsion spelar en avgörande roll när det gäller funktionaliteten och stabiliteten hos en emulsion. Eftersom kraft-ultraljud skapar sonomekaniska krafter, som bryter upp droppar och reducerar dem till små droppar, är ultraljudsbehandling en mycket populär metod för produktion av mikron- och nano-emulsioner. Ultraljudshomogenisatorer är ett pålitligt verktyg för produktion av O/W- och W/O-emulsioner, inversa emulsioner, dubbla emulsioner (O/W/O, W/O/W), mini-emulsioner samt Pickering-emulsioner. Baserat på denna flexibilitet och den pålitliga emulgeringskapaciteten används ultraljudshomogenisatorer (ibland även kallade ultraljudsemulgeringsmedel när de används för emulgering) t.ex. inom kemi-, livsmedels-, läkemedels- och bränsleindustrin för att producera långsiktigt stabila emulsioner.
Klicka på följande länkar för att lära dig mer om nano-emulsioner och Emulsioner för betning!

Ultraljud dispersion

Ultraljudshomogenisatorer är mycket effektiva när partikelagglomerat, aggregat och till och med primära partiklar måste reduceras på ett tillförlitligt sätt. Fördelen med ultraljudshomogenisatorer är deras förmåga att mala ner partiklar till mindre och mer enhetliga partikelstorlekar, oavsett om mikron- eller nanopartiklar är måltavlor som processresultat. Kavitationella skjuvkrafter och vätskeströmmar accelererar partiklar så att de kolliderar med varandra. Detta är känt som interpartikelkollision. Partiklarna i sig fungerar som malningsmedium, vilket undviker kontaminering genom malning av pärlor och den efterföljande separationsprocessen, vilket är nödvändigt när konventionella pärlkvarnar används. Eftersom partiklarna kolliderar genom kollision med varandra i mycket höga hastigheter på upp till 280 m/sek, utsätts partiklarna för utomordentligt höga krafter, och de splittras därför i små fraktioner. Friktion och erosion ger dessa partikelfragment en polerad yta och en enhetligt form. Kombinationen av skjuvkrafter och interpartikelkollision ger ultraljudshomogenisering och dispersion den fördelaktiga kanten som ger mycket homogena kolloidala suspensioner och dispersioner!
Bildsekvensen nedan visar de kavitationella krafterna av ultraljud på grafitflingor.

En höghastighetssekvens (från a till f) av bilder som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultraljudsapparat 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)

Dispersion och homogenisering av nanomaterial

För både emulsioner och dispersioner är framställningen av blandningar i nanostorlek en utmanande uppgift. De flesta konventionella homogeniserings- och blandningstekniker, t.ex. bladblandare, strängkvarnar, högtryckshomogenisatorer och andra blandare, kan producera partiklar i mikronstorlek, men de kan inte på ett tillförlitligt sätt bryta ner 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 mala fasta ämnen jämnt till en finare partikelstorlek än själva pärlorna (malningsmediet). Konventionella slippärlor har en genomsnittlig storlek på mellan 1 500 mm – 35 000 mm. Ett annat problem är kontaminering genom slitage av kvarnmediet. Eftersom ultraljudsapparater ger utomordentligt höga, men ändå exakt kontrollerbara skjuvkrafter, är ultraljudskavitation den föredragna tekniken för tillförlitlig produktion av nano-dispersion och nano-emulsioner i laboratorium (R&D), pilot- och industriella inställningar.

Uppskalning av ultraljudshomogeniseringsprocesser

När man skalar upp från en laboratorieultraljudshomogenisator till en pilotultraljudsapparat, och från ett pilotsystem till en fullskalig produktion av ultraljudshomogenisator, kan uppskalningen tillämpas helt linjärt! Alla viktiga processparametrar som amplitud, tryck, temperatur och bearbetningstid hålls konstanta, endast ytan på ultraljudssonden och ultraljudsapparaten som energisk omrörare av sonden skalas till större, kraftfullare enheter. Den linjära skalbarheten hos ultraljudshomogeniseringsprocesser gör det möjligt att i stor produktion få samma högkvalitativa resultat som i laboratorie- och pilotmiljöer.

Hitta den mest lämpliga ultraljudshomogenisatorn för din process!

Hielscher Ultrasonics är din långvariga partner för ultraljudshomogenisatorer. Alla Hielscher ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och testade i vårt huvudkontor i Tyskland innan vi skickar dem till våra kunder över hela världen. Hielscher ultraljudshomogenisatorer är högkvalitativa enheter som kännetecknas av konstant hög prestanda, tillförlitlighet, robusthet och användarvänlighet. Teknisk sofistikering av ultraljudshomogeniseringstekniken ger användarna av Hielscher-utrustning konkurrensfördelar, vilket gör dem till marknadsledare inom sin bransch. Med det breda produktsortimentet från laboratorie- och bänkhomogenisatorer, pilotsystem och fullindustriella ultraljudshomogenisatorer för kommersiella produktioner, har Hielscher det perfekta ultraljudsblandningssystemet för dina behov. Grenrörstillbehören möjliggör den perfekta ultraljudshomogenisatorn – Matcha individuella behov.
Berätta för oss om dina processkrav och specifikationer – Vi rekommenderar dig gärna den mest lämpliga och effektiva ultraljudshomogenisatorn för din applikation!

Hög effektivitet med ultraljudshomogenisatorer

På grund av extraordinär processeffektivitet, rimliga investeringskostnader, mycket hög energieffektivitet och låga arbets- och underhållskostnader konkurrerar Hielschers ultraljudshomogenisatorer ut konventionella homogeniseringstekniker och uppnår en snabb ROI (Return on Investment). Ofta skrivs en ultraljudshomogenisator av inom några månader.

Ultraljud med hög effekt för industriell homogenisering

Amplituden är den viktigaste processparametern i ultraljudsdrivna homogeniseringsprocesser. Alla Hielscher ultraljudsapparater tillåter exakt kontroll över amplituden. Beroende på processmålet kan en lägre amplitud ställas in för mildare bearbetningsförhållanden eller en hög amplitud väljas för mer destruktiva dispersionsresultat. Hielscher industriella sonsonikatorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Låga underhållskrav för ultraljudshomogenisatorer

Ultraljudshomogenisatorer är inte bara lätta att rengöra eftersom sonotrode och reaktor är de enda komponenterna som är våta delar och kommer i kontakt med det bearbetade materialet. Sonotrode (även känd som ultraljudshorn eller sond) och reaktor är gjorda av titan respektive rostfritt stål och har rena geometrier utan öppningar eller döda hörn.
Den enda delen som utsätts för slitage är ultraljudssonden, som kan bytas ut utan betydande störningar i driften. Sonotroden av en labb ultraljudsapparat byts inom ca 10 min, medan bytet av en sonotrode av en industriell ultraljud homogenisator kan ta ca 30-45 min.

Kontakta oss nu! Vårt erfarna team hjälper dig gärna med teknisk information och processrelaterade rekommendationer!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: