Homojenizatörler – Çalışma Prensibi, Kullanım ve Ölçek Büyütme

Homojenizatörler, sıvı-sıvı ve katı-sıvı sistemleri harmanlamak, emülsifiye etmek, disperse etmek ve çözündürmek için mekanik kuvvetler uygulayan bir karıştırıcı türüdür. Homojenizatör modeline bağlı olarak, katı parçacıkları ve sıvı damlacıklarını parçalamak ve dağıtmak için gereken kuvvetleri oluşturmak üzere dönel kesme, nozullar veya yüksek güçlü ultrason kullanılır. Homojenizatör cihazları ve bunların araştırma ve üretimdeki uygulamaları hakkında daha fazla bilgi edinin!

Homojenizatör Nedir?

Homojenizatör, hem katı hem de sıvı parçacıkları parçalayarak tekdüze bir karışım oluşturmak için tasarlanmış bir karıştırma cihazı sınıfıdır. Homojenizatörler, araştırma ve endüstride çeşitli uygulamalar için kullanılan laboratuvar, tezgâh üstü ve endüstriyel ekipman olarak mevcuttur. Homojenizatörlerin tipik uygulamaları arasında parçacıklar, pigmentler, kimyasallar, bitkiler, gıdalar, hücreler ve dokular gibi çeşitli malzemelerin karıştırılması ve parçalanması yer alır.

Homojenizatörler, sonikasyon ve sonikatörlerimizi prosesinizde nasıl kullanabileceğiniz hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen bizimle iletişime geçin!

Çeşitli Homojenizatör Türlerine Genel Bakış

Tezgâh üstü üretimde ve endüstriyel ölçekte büyük hacimli üretimde kullanılmak üzere çeşitli homojenizatör türleri ticari olarak mevcuttur. Bununla birlikte, rotor/stator (kolloid) karıştırıcılar, yüksek basınçlı homojenizatörler ve ultrasonik homojenizatörler en yaygın kullanılan modellerdir.
Çarklı veya bıçaklı karıştırıcılarda, karıştırma kabının tabanında yüksek hızda dönen ve böylece çeşitli malzemeleri homojen bir karışım hâlinde birleştiren bir bıçak bulunur.
Adından da anlaşılacağı üzere, rotor/stator karıştırıcıda bir rotor ve bir stator bileşeni bulunur. Rotor, statorun içinde yüksek hızlarda dönen metal bir mildir. Stator ise sabit kalan metal parçadır. Rotorun dönüşü, katı-sıvı malzemeyi stator ile rotor arasına hareket ettiren bir emme etkisi oluşturur; burada katıların parçacık boyutu küçültülür.
Yüksek basınçlı homojenizatörün (HPH) çalışma prensibi, ekipmanı büyük, ağır ve pahalı hâle getiren yüksek basınçlı bir pompa ve bir valfin (nozul, orifis) kullanımına dayanır. İşlenen bulamaç, küçük bir orifisten yüksek akış hızıyla geçmeye zorlanır; parçacıkların valften geçebilmek için belirli bir küçüklükte olması gerektiğinden bu işlem parçacık boyutunu küçültür. Özellikle katıların işlenmesi sırasında HPH cihazları tıkanmaya yatkındır.
Ultrasonik homojenizatörler, akustik kavitasyonun oluşturduğu yüksek kesme kuvvetlerini kullanır; bu da onlara diğer homojenizasyon tekniklerine göre çeşitli avantajlar sağlar. Ultrasonik homojenizasyonun çalışma prensibi ve faydaları aşağıda sunulmaktadır.

Homojenizasyon Kuvveti Olarak Yüksek Güçlü Ultrason

Ultrasonik homojenizatör, çok yoğun kesme kuvvetleri oluşturmak için yüksek yoğunluklu ultrasonik titreşimler ve kavitasyon kullanır ve bu nedenle süper yoğun, yüksek kesmeli bir karıştırıcı olarak adlandırılabilir. Süper yoğun, yüksek kesme kuvvetlerinin ardındaki sır, yüksek güçlü ultrason dalgalarının oluşturduğu akustik kavitasyondur. Ultrasonik homojenizatörde, güç kaynağı ve kontrol ünitesi işlevi gören bir jeneratör ile bir transdüser bulunur. Transdüser, piezoelektrik seramikler içerir. Gerilim uygulandığında piezoelektrik kristallerin boyutları ve şekilleri değiştiğinden, bu piezoelektrik seramikler elektrik enerjisini salınıma dönüştürür. Elektronik osilatörün frekansı piezoelektrik kuvarsın doğal frekansına eşit olduğunda rezonans meydana gelir. Rezonans koşullarında kuvars, büyük genlikli boyuna ultrasonik dalgalar üretir.
Oluşturulan ultrason dalgaları daha sonra ultrasonik prob (sonotrot / horn) aracılığıyla proses ortamına aktarılır. Ultrasonik probdaki genlik, sıvıya veya bulamaca iletilen ultrason dalgalarının yoğunluğunu belirler. Ultrasonik dalgalar, sıvı ortamlarda dönüşümlü yüksek basınç ve düşük basınç çevrimleri oluşturur. Düşük basınç çevrimi sırasında yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları oluşturur. Yüksek basınç çevrimi sırasında küçük vakum kabarcıkları yıkıcı biçimde çöker. Bu olguya kavitasyon denir. Kavitasyon kabarcıklarının içe doğru çökmesi, hızı 280 m/s değerine kadar çıkabilen sıvı jetleri de oluşturabilir ve bunun sonucunda güçlü kesme kuvvetleri ortaya çıkabilir. Kesme kuvvetleri parçacıkları kırar, parçacıklar arası çarpışmalara neden olur ve damlacıkları ve hücreleri mekanik olarak parçalar; aynı zamanda son derece verimli bir kütle aktarımını destekler. Bu kavitasyon kuvvetleri, tekdüze ve homojen dispersiyonlar, emülsiyonlar ve süspansiyonlar üretir ve kimyasal reaksiyonları da destekledikleri bilinmektedir (sonokimya olarak adlandırılır).

Akustik kavitasyon (yüksek güçlü ultrason tarafından oluşturulur), yerel olarak aşırı koşullar, yani sonomekanik ve sonokimyasal etkiler oluşturur. Bu etkiler sayesinde sonikasyon, katı ve sıvı parçacıkların boyutunu küçültür ve bunları homojen bir formülasyon hâlinde harmanlar.

Sonikatörleri Homojenizatör Olarak Kullanmanın Avantajları

Ultrasonik homojenizatörler, katı-sıvı (bulamaç olarak adlandırılan) ve sıvı-sıvı süspansiyonların ve çözeltilerin üretiminde üstündür. Sonikatörler ultrasonik kavitasyonun çalışma prensibini kullandığından ve kavitasyon yalnızca sıvıda meydana geldiğinden, malzeme ıslak olmalı veya ıslak bir fazda bulunmalıdır. Bu, bir sonikatörün kuru bir tozu karıştırmada çok verimli olmayacağı, ancak toz ıslanır ıslanmaz sonikasyonun harmanlama için en verimli yöntem olduğu anlamına gelir. Ultrasonik homojenizatörlerin, macunları ve yüksek viskoziteli malzemeleri bile güvenilir biçimde karıştırdığı, harmanladığı ve disperse ettiği iyi bilinmektedir. Kavitasyon kabarcıklarının içe doğru çökmesinden kaynaklanan olağanüstü yoğun kuvvetler, yalnızca çok güçlü yüksek kesme kuvvetleri değil, aynı zamanda yerel olarak sınırlı yüksek sıcaklıklar ve basınçlar ile bunlara karşılık gelen sıcaklık ve basınç farklarını da oluşturur. Fiziksel kuvvetlerin bu birleşimi, parçacıkları geleneksel bir homojenizatöre göre çok daha küçük boyutlara parçalar. Bu nedenle ultrasonik homojenizatörler, nano boyutlu emülsiyonların ve dispersiyonların güvenilir üretimi için tercih edilen ekipmandır.

Ultrasonik Homojenizatörlerin Uygulamaları

Ultrasonik homojenizatörler, katı-sıvı ve sıvı-sıvı süspansiyonları homojenize etmek, parçacık boyutunu küçültmek, biyolojik malzemeyi parçalamak ve ekstrakte etmek, kimyasal reaksiyonları yoğunlaştırmak ve çözünebilir bileşikleri çözündürmek için laboratuvarlarda ve endüstriyel tesislerde yaygın olarak kullanılır.

Ultrasonik Emülsifikasyon

Emülsifikasyon, kararlı veya yarı kararlı bir karışım hazırlamak için birbiriyle karışmayan iki veya daha fazla sıvıyı birlikte harmanlama işlemidir. Genel olarak bu iki sıvı, bir yağ fazı ve sulu (su) fazdan oluşur. Farklı sıvı fazların karışımını stabilize etmek için bir emülgatör (yüzey aktif madde / yardımcı yüzey aktif madde) eklenir. Bir emülsiyonun damlacık boyutu, emülsiyonun işlevselliğinde ve kararlılığında belirleyici bir rol oynar. Yüksek güçlü ultrason, damlacıkları parçalayan ve çok küçük damlacıklara indirgeyen sonomekanik kuvvetler oluşturduğundan, sonikasyon mikron ve nano ölçekli emülsiyonların üretimi için çok popüler bir yöntemdir. Ultrasonik homojenizatörler, O/W ve W/O emülsiyonları, ters emülsiyonlar, çift emülsiyonlar (O/W/O, W/O/W), mini emülsiyonlar ve Pickering emülsiyonlarının üretimi için güvenilir bir araçtır. Bu esneklik ve güvenilir emülsifiye etme kapasitesi sayesinde ultrasonik homojenizatörler (emülsifikasyon için kullanıldıklarında bazen ultrasonik emülgatörler olarak da adlandırılır), örneğin kimya, gıda, ilaç ve yakıt endüstrilerinde uzun süre kararlı kalan emülsiyonlar üretmek için kullanılır.
Daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki bağlantılara tıklayın: nanoemülsiyonlar ve Pickering emülsiyonları!

Ultrasonik Dispersiyon

Ultrasonik homojenizatörler, parçacık aglomeralarının, agregalarının ve hatta birincil parçacıkların boyutunun güvenilir biçimde küçültülmesi gerektiğinde çok etkilidir. Ultrasonik homojenizatörlerin avantajı, proses sonucu olarak ister mikron ister nano boyutlu parçacıklar hedeflensin, parçacıkları öğüterek daha küçük ve daha tekdüze boyutlara indirebilmeleridir. Kavitasyonun oluşturduğu kesme kuvvetleri ve sıvı akımları, parçacıkları birbirleriyle çarpışacak şekilde hızlandırır. Bu, parçacıklar arası çarpışma olarak bilinir. Parçacıkların kendileri öğütme ortamı olarak işlev görür; bu da öğütme boncuklarından kaynaklanan kirlenmeyi ve geleneksel boncuklu değirmenler kullanıldığında gerekli olan sonraki ayırma işlemini önler. Parçacıklar, parçacıklar arası çarpışmalar sırasında 280m/sec değerine kadar çıkabilen çok yüksek hızlarda çarpıştığından, parçacıklara olağanüstü yüksek kuvvetler etki eder ve böylece parçacıklar çok küçük parçalara ayrılır. Sürtünme ve erozyon, bu parçacık parçalarına cilalı bir yüzey ve tekdüze bir şekil kazandırır. Kesme kuvvetleri ve parçacıklar arası çarpışmanın birleşimi, son derece homojen kolloidal süspansiyonlar ve dispersiyonlar sağlayarak ultrasonik homojenizasyona ve dispersiyona üstünlük kazandırır!
Aşağıdaki görüntü dizisi, ultrasonun grafit pulları üzerindeki kavitasyon kuvvetlerini göstermektedir.

Suda bir grafit pulunun, 200W gücündeki UP200S sonikatörü ve 3-mm sonotrot ile sonomekanik eksfoliasyonunu gösteren yüksek hızlı kare dizisi (a’dan f’ye). Oklar, kavitasyon kabarcıklarının yarığa nüfuz ettiği ayrılma (eksfoliasyon) yerini göstermektedir.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Nanomalzemelerin Dispersiyonu ve Homojenizasyonu

Hem emülsiyonlar hem de dispersiyonlar için nano boyutlu karışımların hazırlanması zorlu bir iştir. Bıçaklı karıştırıcılar, boncuklu değirmenler, yüksek basınçlı homojenizatörler ve diğer karıştırıcılar gibi geleneksel homojenizasyon ve harmanlama tekniklerinin çoğu mikron boyutlu parçacıklar üretebilir, ancak damlacıkları ve katıları güvenilir biçimde nano boyuta kadar parçalayamaz. Bunun başlıca nedeni yetersiz yoğunluktur. Örneğin bıçaklı karıştırıcılar, parçacıkları nano boyuta parçalamak için yeterli kesme sağlamaz. Başka bir homojenizatör türü olan boncuklu değirmenler, katıları boncukların (öğütme ortamının) kendisinden daha ince bir parçacık boyutuna tekdüze biçimde öğütemez. Geleneksel öğütme boncuklarının ortalama boyutu 1.500 mm – 35.000 mm arasındadır. Başka bir sorun da öğütme ortamının aşınması ve yıpranmasından kaynaklanan kirlenmedir. Sonikatörler olağanüstü yüksek, ancak hassas biçimde kontrol edilebilir kesme kuvvetleri sağladığından, ultrason kavitasyonu laboratuvar (Ar-Ge), pilot ve endüstriyel sistemlerde nanodispersiyonların ve nanoemülsiyonların güvenilir üretimi için tercih edilen tekniktir.

Ultrasonik Homojenizasyon Proseslerinde Ölçek Büyütme

Bir laboratuvar ultrasonik homojenizatöründen pilot sonikatöre ve bir pilot sistemden tam ölçekli üretim ultrasonik homojenizatörüne geçerken ölçek büyütme tamamen doğrusal olarak uygulanabilir! Genlik, basınç, sıcaklık ve işlem süresi gibi tüm önemli proses parametreleri sabit tutulur; yalnızca ultrasonik probun yüzey alanı ve probu enerji sağlayarak çalıştıran sonikatör, daha büyük ve daha güçlü ünitelere ölçeklendirilir. Ultrasonik homojenizasyon proseslerinin doğrusal ölçeklenebilirliği, büyük ölçekli üretimde laboratuvar ve pilot sistemlerdekiyle aynı yüksek kaliteli sonuçların elde edilmesini sağlar.

Prosesiniz İçin En Uygun Ultrasonik Homojenizatörü Bulun!

Hielscher Ultrasonics, ultrasonik homojenizatörler konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahip iş ortağınızdır. Tüm Hielscher sonikatörleri, dünya çapındaki müşterilerimize gönderilmeden önce Almanya’daki merkezimizde tasarlanır, üretilir ve test edilir. Hielscher ultrasonik homojenizatörleri, sürekli yüksek performans, güvenilirlik, sağlamlık ve kullanıcı dostu olmalarıyla öne çıkan yüksek kaliteli cihazlardır. Ultrasonik homojenizasyon teknolojisinin teknik gelişmişliği, Hielscher ekipmanı kullanıcılarına, onları kendi sektörlerinde pazar lideri yapan rekabet avantajları sağlar. Laboratuvar ve tezgâh üstü homojenizatörlerden pilot sistemlere ve ticari üretim için tamamen endüstriyel ultrasonik homojenizatörlere uzanan geniş ürün yelpazesiyle Hielscher, gereksinimleriniz için ideal ultrasonik karıştırma sistemine sahiptir. Çok çeşitli aksesuarlar, bireysel ihtiyaçlara uygun ideal ultrasonik homojenizatör kurulumuna olanak tanır.
Proses gereksinimlerinizi ve teknik özelliklerinizi bize bildirin – uygulamanız için en uygun ve en verimli ultrasonik homojenizatörü memnuniyetle önerelim!

Ultrasonik Homojenizatörlerle Yüksek Verimlilik

Olağanüstü proses verimliliği, makul yatırım maliyetleri, çok yüksek enerji verimliliği ve düşük işçilik ve bakım maliyetleri sayesinde Hielscher ultrasonik homojenizatörleri, geleneksel homojenizasyon tekniklerinden daha üstün performans gösterir ve hızlı bir RoI (yatırım getirisi) sağlar. Bir ultrasonik homojenizatör, çoğu zaman birkaç ay içinde kendini amorti eder.

Endüstriyel Homojenizasyon İçin Yüksek Güçlü Ultrason

Genlik, ultrasonla gerçekleştirilen homojenizasyon proseslerindeki en önemli proses parametresidir. Tüm Hielscher sonikatörleri, genliğin hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanır. Proses hedefine bağlı olarak, daha hafif işlem koşulları için daha düşük bir genlik ayarlanabilir veya daha yıkıcı dispersiyon sonuçları için yüksek bir genlik seçilir. Hielscher endüstriyel sonikatörleri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm değerine kadar olan genliklerde, 24/7 çalışma düzeninde kolayca kesintisiz çalışılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.

Ultrasonik Homojenizatörlerin Düşük Bakım Gereksinimleri

Ultrasonik homojenizatörlerin temizlenmesi de kolaydır; çünkü ıslanan ve işlenen malzemeyle temas eden tek bileşenler sonotrot ve reaktördür. Sonotrot (ultrasonik horn veya prob olarak da bilinir) ve reaktör sırasıyla titanyumdan ve paslanmaz çelikten yapılır ve orifis veya ölü köşe içermeyen, kolay temizlenen geometrilere sahiptir.
Aşınmaya ve yıpranmaya maruz kalan tek parça, çalışmada önemli bir kesintiye neden olmadan değiştirilebilen ultrasonik probdur. Bir laboratuvar sonikatörünün sonotrotu yaklaşık 10 min içinde değiştirilirken, bir endüstriyel ultrasonik homojenizatörün sonotrotunun değiştirilmesi yaklaşık 30–45 min sürebilir.

Hemen bizimle iletişime geçin! Deneyimli ekibimiz, teknik bilgi ve prosesle ilgili öneriler sunmaktan memnuniyet duyacaktır!

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir: