Máy đồng hóa – Nguyên lý hoạt động, ứng dụng và mở rộng quy mô

Máy đồng hóa là một loại máy trộn sử dụng lực cơ học để trộn, nhũ hóa, phân tán và hòa tan các hệ lỏng–lỏng và rắn–lỏng. Tùy theo mẫu máy đồng hóa, lực cắt do chuyển động quay, vòi phun hoặc siêu âm công suất cao được sử dụng để tạo ra các lực cần thiết nhằm phân rã và phá vỡ các hạt rắn cũng như các giọt chất lỏng. Tìm hiểu thêm về các thiết bị đồng hóa và ứng dụng của chúng trong nghiên cứu và sản xuất!

Máy đồng hóa là gì?

Máy đồng hóa là một nhóm thiết bị trộn được thiết kế để phá vỡ các hạt, cả rắn lẫn lỏng, nhằm tạo thành một hỗn hợp đồng nhất. Máy đồng hóa có các dạng thiết bị phòng thí nghiệm, thiết bị để bàn và thiết bị công nghiệp, được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong nghiên cứu và công nghiệp. Các ứng dụng điển hình của máy đồng hóa bao gồm trộn và phân rã nhiều loại vật liệu, trong đó có các hạt, chất màu, hóa chất, thực vật, thực phẩm, tế bào, mô và nhiều loại vật liệu khác.

Vui lòng liên hệ với chúng tôi để tìm hiểu thêm về máy đồng hóa, xử lý bằng siêu âm và cách sử dụng các thiết bị siêu âm của chúng tôi cho quy trình của bạn!

Tổng quan về các loại máy đồng hóa

Nhiều loại máy đồng hóa được bán trên thị trường để sử dụng trong sản xuất ở quy mô để bàn và quy mô công nghiệp lớn. Tuy nhiên, máy trộn rôto/stato (keo), máy đồng hóa áp suất cao và máy đồng hóa siêu âm là những loại được sử dụng rộng rãi nhất.
Máy trộn cánh khuấy hoặc cánh dao có cánh quay ở tốc độ cao tại đáy bồn trộn, nhờ đó kết hợp nhiều loại vật liệu thành một hỗn hợp đồng nhất.
Đúng như tên gọi, máy trộn rôto/stato có một bộ phận rôto và một bộ phận stato. Rôto là một trục kim loại quay ở tốc độ cao bên trong stato. Stato là bộ phận kim loại đứng yên. Chuyển động quay của rôto tạo ra hiệu ứng hút, đưa vật liệu rắn–lỏng vào giữa stato và rôto, nơi các chất rắn được giảm xuống kích thước hạt nhỏ hơn.
Nguyên lý hoạt động của máy đồng hóa áp suất cao (HPH) dựa trên việc sử dụng một bơm áp suất cao và một van (vòi phun, lỗ tiết lưu), khiến thiết bị có kích thước lớn, nặng và đắt tiền. Huyền phù đặc cần xử lý được ép qua một lỗ nhỏ với vận tốc dòng chảy cao, làm giảm kích thước hạt vì các hạt phải có kích thước đủ nhỏ nhất định mới đi qua được van. Đặc biệt khi xử lý chất rắn, các máy HPH dễ bị tắc nghẽn.
Máy đồng hóa siêu âm sử dụng lực cắt lớn do hiện tượng xâm thực âm tạo ra, nhờ đó có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật đồng hóa khác. Nguyên lý hoạt động và lợi ích của đồng hóa siêu âm được trình bày dưới đây.

Siêu âm công suất cao tạo lực đồng hóa

Máy đồng hóa siêu âm sử dụng dao động siêu âm cường độ cao và hiện tượng xâm thực để tạo ra lực cắt cực mạnh, do đó có thể được gọi là máy trộn có lực cắt cao với cường độ cực lớn. Bí quyết tạo ra lực cắt cao với cường độ cực lớn này là hiện tượng xâm thực âm, được tạo ra bởi sóng siêu âm công suất cao. Máy đồng hóa siêu âm có một bộ phát, đóng vai trò là bộ cấp nguồn và điều khiển, cùng một bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi chứa gốm áp điện. Các vật liệu gốm áp điện này chuyển đổi năng lượng điện thành dao động, vì các tinh thể áp điện thay đổi kích thước và hình dạng khi được đặt điện áp. Khi tần số của bộ dao động điện tử bằng tần số riêng của thạch anh áp điện, hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Trong điều kiện cộng hưởng, thạch anh tạo ra sóng siêu âm dọc có biên độ lớn.
Sau đó, các sóng siêu âm được tạo ra được truyền ghép vào môi trường xử lý thông qua đầu dò siêu âm (sonotrode / đầu khuếch đại siêu âm). Biên độ tại đầu dò siêu âm quyết định cường độ của sóng siêu âm được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù đặc. Sóng siêu âm tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên trong môi trường lỏng. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ trong chất lỏng. Trong chu kỳ áp suất cao, các bọt chân không nhỏ sụp đổ dữ dội. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Sự sụp đổ của các bọt xâm thực cũng có thể tạo ra các tia chất lỏng có tốc độ cao lên đến 280 m/s, tạo ra lực cắt mạnh. Các lực cắt phá vỡ hạt, gây va chạm giữa các hạt và phá vỡ các giọt chất lỏng cũng như tế bào bằng tác động cơ học, đồng thời thúc đẩy quá trình truyền khối với hiệu quả rất cao. Các lực xâm thực này tạo ra các hệ phân tán, nhũ tương và huyền phù đồng đều, đồng nhất, đồng thời cũng được biết đến với khả năng thúc đẩy các phản ứng hóa học (được gọi là hóa học siêu âm).

Hiện tượng xâm thực âm (được tạo ra bởi siêu âm công suất cao) tạo ra các điều kiện cực đoan cục bộ, được gọi là các hiệu ứng cơ học siêu âm và hóa học siêu âm. Nhờ các hiệu ứng này, quá trình xử lý siêu âm làm giảm kích thước các hạt rắn và giọt chất lỏng, đồng thời trộn chúng thành một công thức phối chế đồng nhất.

Ưu điểm của việc sử dụng máy siêu âm làm máy đồng hóa

Máy đồng hóa siêu âm vượt trội trong việc sản xuất các huyền phù và dung dịch rắn–lỏng (được gọi là huyền phù đặc) và lỏng–lỏng. Vì máy siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý xâm thực siêu âm, vật liệu cần ở trạng thái ướt hoặc trong pha ướt, do hiện tượng xâm thực chỉ xảy ra trong chất lỏng. Điều này có nghĩa là máy siêu âm sẽ không đạt hiệu quả cao khi trộn bột khô, nhưng ngay khi bột được làm ướt, xử lý siêu âm là phương pháp trộn hiệu quả nhất. Máy đồng hóa siêu âm được biết đến rộng rãi với khả năng trộn, phối trộn và phân tán một cách đáng tin cậy ngay cả các vật liệu dạng nhão và vật liệu có độ nhớt cao. Các lực có cường độ cực lớn do sự sụp đổ của các bọt xâm thực gây ra không chỉ tạo ra lực cắt rất mạnh mà còn tạo ra nhiệt độ và áp suất cao trong các vùng cục bộ, cũng như các chênh lệch nhiệt độ và áp suất tương ứng. Sự kết hợp các lực vật lý này phá vỡ các hạt thành kích thước nhỏ hơn nhiều so với máy đồng hóa thông thường. Vì vậy, máy đồng hóa siêu âm là thiết bị được ưu tiên lựa chọn để sản xuất một cách đáng tin cậy các nhũ tương và hệ phân tán có kích thước nano.

Ứng dụng của máy đồng hóa siêu âm

Máy đồng hóa siêu âm được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và cơ sở công nghiệp để đồng hóa các huyền phù rắn–lỏng và lỏng–lỏng, giảm kích thước hạt, phá vỡ và chiết xuất vật liệu sinh học, tăng cường các phản ứng hóa học và hòa tan các hợp chất có khả năng hòa tan.

Nhũ hóa bằng siêu âm

Nhũ hóa là quá trình trộn hai hoặc nhiều chất lỏng không hòa lẫn vào nhau để tạo ra một hỗn hợp ổn định hoặc bán ổn định. Nhìn chung, hai chất lỏng này gồm một pha dầu và một pha nước. Để ổn định hỗn hợp gồm các pha lỏng khác nhau, người ta bổ sung chất nhũ hóa (chất hoạt động bề mặt / chất đồng hoạt động bề mặt). Kích thước giọt của nhũ tương đóng vai trò quyết định đối với chức năng và độ ổn định của nhũ tương. Vì siêu âm công suất cao tạo ra các lực cơ học do siêu âm, phá vỡ các giọt và làm giảm kích thước của chúng thành những giọt cực nhỏ, xử lý siêu âm là phương pháp rất phổ biến để sản xuất nhũ tương micro và nano. Máy đồng hóa siêu âm là công cụ đáng tin cậy để sản xuất nhũ tương O/W và W/O, nhũ tương nghịch, nhũ tương kép (O/W/O, W/O/W), nhũ tương mini cũng như nhũ tương Pickering. Nhờ tính linh hoạt này và khả năng nhũ hóa đáng tin cậy, máy đồng hóa siêu âm (đôi khi còn được gọi là máy nhũ hóa siêu âm khi dùng để nhũ hóa) được sử dụng, ví dụ, trong ngành hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và nhiên liệu để sản xuất các nhũ tương ổn định lâu dài.
Nhấp vào các liên kết sau để tìm hiểu thêm về nhũ tương nano và nhũ tương Pickering!

Phân tán bằng siêu âm

Máy đồng hóa siêu âm rất hiệu quả khi cần giảm kích thước một cách đáng tin cậy các khối hạt kết tụ, các khối hạt kết tập và thậm chí cả các hạt sơ cấp. Ưu điểm của máy đồng hóa siêu âm là khả năng nghiền hạt xuống kích thước nhỏ hơn và đồng đều hơn, dù kết quả mục tiêu của quá trình là hạt micro hay hạt nano. Các lực cắt do xâm thực và các dòng chất lỏng làm tăng tốc các hạt để chúng va chạm với nhau. Hiện tượng này được gọi là va chạm giữa các hạt. Bản thân các hạt đóng vai trò là môi trường nghiền, giúp tránh nhiễm bẩn do bi nghiền và tránh công đoạn tách sau đó vốn cần thiết khi sử dụng máy nghiền bi thông thường. Vì các hạt va chạm với nhau ở tốc độ rất cao, lên đến 280m/sec, các lực cực lớn tác động lên chúng, khiến chúng vỡ thành những mảnh cực nhỏ. Ma sát và xói mòn tạo cho các mảnh hạt này bề mặt nhẵn bóng và hình dạng đồng đều. Sự kết hợp giữa lực cắt và va chạm giữa các hạt mang lại ưu thế cho quá trình đồng hóa và phân tán bằng siêu âm, tạo ra các huyền phù keo và hệ phân tán có độ đồng nhất cao!
Chuỗi hình ảnh bên dưới minh họa các lực xâm thực do siêu âm tác động lên các vảy graphit.

Một chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa sự bóc tách một vảy graphit trong nước bằng tác động cơ học của siêu âm khi sử dụng UP200S, một thiết bị siêu âm 200W với đầu dò siêu âm 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí tách lớp (bóc tách), nơi các bọt xâm thực xâm nhập vào khe tách.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Phân tán và đồng hóa vật liệu nano

Đối với cả nhũ tương và hệ phân tán, việc tạo ra các hỗn hợp có kích thước nano là một nhiệm vụ đầy thách thức. Hầu hết các kỹ thuật đồng nhất hóa và phối trộn thông thường như máy trộn cánh, máy nghiền bi, máy đồng nhất hóa áp suất cao và các máy trộn khác có khả năng tạo ra các hạt có kích thước micromet, nhưng không thể giảm kích thước các giọt và chất rắn xuống mức nano một cách đáng tin cậy. Nguyên nhân chủ yếu là do cường độ không đủ. Ví dụ, máy trộn cánh không tạo ra lực cắt đủ mạnh để phá vỡ các hạt xuống kích thước nano. Máy nghiền bi, một loại máy đồng nhất hóa khác, không thể nghiền chất rắn một cách đồng đều xuống kích thước hạt nhỏ hơn chính các viên bi (vật liệu nghiền). Các viên bi nghiền thông thường có kích thước trung bình trong khoảng 1.500 mm – 35.000 mm. Một vấn đề khác là sự nhiễm bẩn do hao mòn vật liệu nghiền. Vì các máy siêu âm tạo ra lực cắt cực kỳ mạnh nhưng vẫn có thể kiểm soát chính xác, hiện tượng xâm thực siêu âm là kỹ thuật được ưu tiên để tạo ra các hệ phân tán nano và nhũ tương nano một cách đáng tin cậy trong các hệ thống phòng thí nghiệm (R&D), thí điểm và công nghiệp.

Mở rộng quy mô các quy trình đồng nhất hóa bằng siêu âm

Khi mở rộng quy mô từ máy đồng nhất hóa siêu âm trong phòng thí nghiệm lên máy siêu âm thí điểm, và từ hệ thống thí điểm lên máy đồng nhất hóa siêu âm cho sản xuất ở quy mô đầy đủ, việc mở rộng quy mô có thể được thực hiện hoàn toàn tuyến tính! Tất cả các thông số quy trình quan trọng như biên độ, áp suất, nhiệt độ và thời gian xử lý đều được giữ không đổi; chỉ diện tích bề mặt của đầu dò siêu âm và máy siêu âm đóng vai trò là bộ phận cung cấp năng lượng kích thích dao động cho đầu dò được tăng quy mô lên các bộ phận lớn hơn, mạnh hơn. Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính của các quy trình đồng nhất hóa bằng siêu âm cho phép đạt được kết quả chất lượng cao trong sản xuất quy mô lớn tương đương với kết quả trong phòng thí nghiệm và ở quy mô thí điểm.

Tìm máy đồng nhất hóa siêu âm phù hợp nhất cho quy trình của bạn!

Hielscher Ultrasonics là đối tác giàu kinh nghiệm lâu năm của bạn trong lĩnh vực máy đồng nhất hóa siêu âm. Tất cả các máy siêu âm Hielscher đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra tại trụ sở chính của chúng tôi ở Đức trước khi được giao đến khách hàng trên toàn thế giới. Máy đồng nhất hóa siêu âm Hielscher là các thiết bị chất lượng cao, nổi bật với hiệu suất cao ổn định, độ tin cậy, độ bền và tính dễ sử dụng. Sự tinh vi về kỹ thuật của công nghệ đồng nhất hóa bằng siêu âm mang lại cho người dùng thiết bị Hielscher những lợi thế cạnh tranh, giúp họ trở thành đơn vị dẫn đầu thị trường trong ngành của mình. Với danh mục sản phẩm phong phú, từ máy đồng nhất hóa dùng trong phòng thí nghiệm và loại để bàn, các hệ thống thí điểm đến máy đồng nhất hóa siêu âm ở quy mô công nghiệp hoàn chỉnh dành cho sản xuất thương mại, Hielscher có hệ thống trộn siêu âm lý tưởng đáp ứng các yêu cầu của bạn. Các phụ kiện đa dạng cho phép thiết lập cấu hình máy đồng nhất hóa siêu âm lý tưởng – phù hợp với nhu cầu riêng.
Hãy cho chúng tôi biết các yêu cầu và thông số kỹ thuật của quy trình của bạn – chúng tôi sẵn lòng tư vấn máy đồng nhất hóa siêu âm phù hợp nhất và hiệu quả nhất cho ứng dụng của bạn!

Hiệu quả cao khi sử dụng máy đồng nhất hóa siêu âm

Nhờ hiệu quả quy trình vượt trội, chi phí đầu tư hợp lý, hiệu quả năng lượng rất cao cùng chi phí nhân công và bảo trì thấp, máy đồng nhất hóa siêu âm Hielscher vượt trội hơn các kỹ thuật đồng nhất hóa thông thường và mang lại RoI (lợi tức đầu tư) nhanh chóng. Máy đồng nhất hóa siêu âm thường hoàn vốn chỉ trong vòng vài tháng.

Siêu âm công suất cao cho đồng nhất hóa công nghiệp

Biên độ là thông số quá trình quan trọng nhất trong các quá trình đồng nhất hóa bằng siêu âm. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều cho phép kiểm soát chính xác biên độ. Tùy theo mục tiêu của quá trình, có thể đặt biên độ thấp hơn để tạo điều kiện xử lý nhẹ nhàng hơn hoặc chọn biên độ cao để đạt kết quả phân tán với mức độ phá vỡ mạnh hơn. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng vận hành liên tục 24/7 ở biên độ lên đến 200µm. Đối với các biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh.

Yêu cầu bảo trì thấp đối với máy đồng nhất hóa siêu âm

Máy đồng nhất hóa siêu âm không chỉ dễ vệ sinh vì đầu sonotrode và buồng phản ứng là những bộ phận duy nhất bị thấm ướt và tiếp xúc với vật liệu được xử lý. Đầu sonotrode (còn gọi là thanh truyền hoặc đầu dò siêu âm) và buồng phản ứng được chế tạo lần lượt từ titan và thép không gỉ, có hình dạng dễ vệ sinh, không có lỗ tiết lưu hoặc góc chết.
Bộ phận duy nhất chịu hao mòn là đầu dò siêu âm, có thể được thay thế mà không gây gián đoạn đáng kể đến hoạt động. Đầu sonotrode của thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm được thay trong khoảng 10 min, trong khi việc thay đầu sonotrode của máy đồng nhất hóa siêu âm công nghiệp có thể mất khoảng 30–45 min.

Hãy liên hệ với chúng tôi ngay! Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi rất sẵn lòng cung cấp thông tin kỹ thuật và các khuyến nghị liên quan đến quá trình!

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: