Đồng nhất – Nguyên tắc làm việc, sử dụng và mở rộng quy mô
Đồng nhất là một loại máy trộn, áp dụng các lực cơ học để trộn, nhũ hóa, phân tán và hòa tan các hệ thống lỏng-lỏng và rắn-lỏng. Tùy thuộc vào mô hình đồng nhất, cắt quay, vòi phun hoặc siêu âm công suất cao được sử dụng để tạo ra các lực cần thiết để phân rã và phá vỡ các hạt rắn cũng như các giọt chất lỏng. Tìm hiểu thêm về các thiết bị đồng nhất và các ứng dụng của chúng trong nghiên cứu và sản xuất!
Homogenizer là gì?
Một homogenizer là một lớp các thiết bị trộn, được thiết kế để phá vỡ các hạt, cả rắn và lỏng, thành một hỗn hợp đồng nhất. Máy đồng nhất có sẵn như phòng thí nghiệm, băng ghế dự bị và, thiết bị công nghiệp được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau trong nghiên cứu và công nghiệp. Ứng dụng điển hình của homogenizer bao gồm trộn và phân hủy các vật liệu khác nhau, bao gồm các hạt, sắc tố, hóa chất, thực vật, thực phẩm, tế bào, mô, trong số những vật liệu khác.
Vui lòng liên hệ với chúng tôi để tìm hiểu thêm về homogenizers, sonication và làm thế nào bạn có thể sử dụng sonicators của chúng tôi cho quá trình của bạn!
MultiSonoReactor MSR-4 là một homogenizer nội tuyến công nghiệp với ultrasonicators công suất 16.000 watt cho các ứng dụng đòi hỏi như phân tán nano và nhũ tương nano.
Tổng quan về các loại Homogenizer khác nhau
Các loại đồng nhất khác nhau có sẵn trên thị trường để sử dụng trong sản xuất quy mô lớn và công nghiệp. Tuy nhiên, máy trộn rôto / stato (keo), đồng nhất áp suất cao và đồng nhất siêu âm là những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất.
Máy trộn cánh quạt hoặc lưỡi dao có lưỡi quay, quay với tốc độ cao ở đáy bình trộn, do đó kết hợp các vật liệu khác nhau thành hỗn hợp đồng nhất.
Như tên của máy trộn rôto / stato đã ngụ ý, máy trộn rôto / stato có rôto và thành phần stato. Rôto là một trục kim loại quay ở tốc độ cao trong stato. Stato là phần kim loại đứng yên. Sự quay của rôto tạo ra hiệu ứng hút di chuyển vật liệu rắn-lỏng giữa stato và rôto, trong đó chất rắn được giảm xuống kích thước hạt nhỏ hơn.
Nguyên lý làm việc của máy đồng nhất áp suất cao (HPH) dựa trên việc sử dụng bơm cao áp và van (vòi phun, lỗ), làm cho thiết bị lớn, nặng và đắt tiền. Bùn được xử lý bị ép với vận tốc dòng chảy cao qua một lỗ nhỏ, làm giảm kích thước hạt vì các hạt đòi hỏi một kích thước nhỏ nhất định để đi qua van. Đặc biệt khi xử lý chất rắn, HPH dễ bị tắc.
Siêu âm homogenizers sử dụng các lực cắt cao được tạo ra bởi cavitation âm thanh, mà mang lại cho họ những lợi thế khác nhau so với các kỹ thuật đồng nhất khác. Nguyên tắc làm việc và lợi ích của đồng nhất siêu âm được trình bày dưới đây.
Siêu âm công suất cao như lực đồng nhất
Một homogenizer siêu âm sử dụng rung động siêu âm cường độ cao và cavitation để tạo ra lực cắt rất mạnh và do đó có thể được gọi là một máy trộn cắt cao siêu dữ dội. Bí mật đằng sau lực cắt cao siêu mạnh là xâm thực âm thanh, được tạo ra bởi sóng siêu âm công suất cao. Một homogenizer siêu âm có một máy phát điện, đó là đơn vị cung cấp và điều khiển điện, và một đầu dò. Đầu dò chứa gốm áp điện. Những 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 của chúng khi điện áp được áp dụng. Khi tần số của bộ dao động điện tử bằng tần số tự nhiên của thạch anh áp điện, cộng hưởng xảy ra. Trong điều kiện cộng hưởng, thạch anh tạo ra sóng siêu âm dọc có biên độ lớn.
Các sóng siêu âm được tạo ra sau đó được ghép nối thông qua đầu dò siêu âm (sonotrode / horn) vào môi trường xử lý. Biên độ tại đầu dò siêu âm xác định cường độ của sóng siêu âm, được truyền vào chất lỏng hoặc bùn. Các sóng siêu âm tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp xen kẽ trong môi trường chất lỏng. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ trong chất lỏng. Trong chu kỳ áp suất cao, các bong bóng chân không nhỏ sụp đổ một cách hủy diệt. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng có thể tạo ra các tia chất lỏng với tốc độ cao lên tới 280 m / s, dẫn đến lực cắt mạnh. Các lực cắt phá vỡ các hạt, gây ra va chạm giữa các hạt và phá vỡ các giọt và tế bào một cách cơ học, thúc đẩy đồng thời chuyển khối lượng hiệu quả cao. Các lực xâm thực này tạo ra sự phân tán, nhũ tương và huyền phù đồng đều và đồng nhất và cũng được biết là thúc đẩy các phản ứng hóa học (được gọi là sonochemistry).
Xâm thực âm thanh (được tạo ra bởi siêu âm công suất cao) tạo ra các điều kiện khắc nghiệt cục bộ, được gọi là hiệu ứng sonomechanical và sonochemical. Do những hiệu ứng này, sonication làm giảm các hạt rắn và lỏng và pha trộn chúng thành một công thức đồng nhất.
Siêu âm cavitation tại đầu dò cascatrode của siêu âm UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) trong lò phản ứng thủy tinh. Ánh sáng đỏ từ phía dưới được sử dụng để cải thiện khả năng hiển thị của xâm thực.
Siêu âm Homogenizers – Lợi thế
Đồng nhất siêu âm là vượt trội, khi nói đến việc sản xuất chất rắn-lỏng (được gọi là bùn) và huyền phù lỏng-lỏng và các giải pháp. Kể từ khi ultrasonicators sử dụng nguyên tắc làm việc của cavitation siêu âm, vật liệu nên được ướt hoặc trong một pha ướt, như cavitation chỉ xảy ra trong chất lỏng. Điều này có nghĩa là một ultrasonicator sẽ không phải là rất hiệu quả trong việc trộn một loại bột khô, nhưng ngay sau khi bột được làm ướt, sonication là phương pháp hiệu quả nhất để pha trộn. Siêu âm homogenizers nổi tiếng để đáng tin cậy trộn, pha trộn và phân tán ngay cả bột nhão và vật liệu có độ nhớt cao. Các lực cực kỳ mạnh gây ra bởi sự nổ tung của bong bóng xâm thực tạo ra không chỉ lực cắt cao rất mạnh mà còn cả nhiệt độ và áp suất cao bị giới hạn cục bộ cũng như chênh lệch tương ứng. Sự kết hợp của các lực vật lý này phá vỡ các hạt đến kích thước nhỏ hơn nhiều so với một bộ đồng nhất thông thường. Do đó, siêu âm homogenizers là thiết bị ưa thích để sản xuất đáng tin cậy các nhũ tương kích thước nano và phân tán.
- Hiệu quả tuyệt vời
- có khả năng cung cấp năng lượng tập trung cao độ
- Kết quả vượt trội trong micron và nano
- Đối với nhũ tương và phân tán có kích thước micron và nano
- bất kỳ khối lượng nào từ mL đến tấn / giờ
- Hàng loạt và nội tuyến
- cho một lần vượt qua và tuần hoàn
- Kiểm soát quy trình chính xác
- Hoạt động đơn giản
- Dễ dàng vệ sinh
- bảo trì thấp
Ứng dụng của siêu âm Homogenizers
Siêu âm homogenizers được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và các cơ sở công nghiệp để đồng nhất hóa rắn-lỏng và lỏng-lỏng huyền phù, giảm kích thước hạt, phá vỡ và chiết xuất vật liệu sinh học, tăng cường phản ứng hóa học và hòa tan các hợp chất hòa tan.
Nhũ tương siêu âm
Nhũ hóa là quá trình trộn hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn với nhau để tạo ra một hỗn hợp ổn định hoặc bán ổn định. Nói chung, hai chất lỏng này bao gồm pha dầu và pha nước (nước). Để ổn định hỗn hợp của các pha lỏng khác nhau, một chất nhũ hóa (chất hoạt động bề mặt / chất hoạt động bề mặt) được thêm vào. Kích thước giọt của nhũ tương đóng một vai trò quan trọng khi nói đến chức năng và độ ổn định của nhũ tương. Vì siêu âm điện tạo ra các lực sonomechanical tạo ra các lực sonomechanical phá vỡ các giọt và giảm chúng thành các giọt nhỏ, sonication là một phương pháp rất phổ biến để sản xuất nhũ tương micron và nano. Siêu âm homogenizers là một công cụ đáng tin cậy để sản xuất nhũ tương O / W và W / O, nhũ tương nghịch đảo, nhũ tương đôi (O / W / O, W / O / W), nhũ tương mini cũng như nhũ tương Pickering. Dựa trên tính linh hoạt này và khả năng nhũ hóa đáng tin cậy, đồng nhất siêu âm (đôi khi còn được gọi là chất nhũ hóa siêu âm khi được sử dụng để nhũ hóa) được sử dụng, ví dụ, trong ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và nhiên liệu để sản xuất nhũ tương ổn định lâu dài.
Nhấp vào các liên kết sau để tìm hiểu thêm về nhũ tương nano và Nhũ tương Pickering!
Siêu âm phân tán
Đồng nhất siêu âm rất hiệu quả khi kết tụ hạt, cốt liệu và thậm chí các hạt sơ cấp phải được giảm kích thước một cách đáng tin cậy. Ưu điểm của homogenizers siêu âm là khả năng của họ để mill các hạt xuống kích thước hạt nhỏ hơn và đồng đều hơn, cho dù micron- hoặc hạt nano được nhắm mục tiêu như kết quả quá trình. Lực cắt hang động và dòng chất lỏng làm tăng tốc các hạt để chúng va chạm với nhau. Điều này được gọi là va chạm giữa các hạt. Bản thân các hạt hoạt động như môi trường phay, giúp tránh ô nhiễm bằng cách nghiền hạt và quá trình tách tiếp theo, cần thiết khi sử dụng máy nghiền hạt thông thường. Vì sự va chạm hạt do va chạm giữa các hạt ở tốc độ rất cao lên tới 280m / giây, các lực cực kỳ cao tác dụng lên các hạt, do đó vỡ thành các phần nhỏ. Ma sát và xói mòn làm cho những mảnh hạt đó có bề mặt được đánh bóng và hình dạng đồng nhất. Sự kết hợp của lực cắt và va chạm giữa các hạt mang lại sự đồng nhất và phân tán siêu âm cạnh thuận lợi mang lại huyền phù và phân tán keo đồng nhất cao!
Chuỗi hình ảnh dưới đây mô tả các lực xâm thực của siêu âm trên các mảnh than chì.
Một chuỗi tốc độ cao (từ a đến f) của các khung hình minh họa sự tẩy da chết cơ học sono của một mảnh than chì trong nước bằng cách sử dụng UP200S, một ultrasonicator 200W với sonotrode 3 mm. Mũi tên cho thấy nơi tách (tẩy da chết) với bong bóng xâm thực xuyên qua phần tách.
© Tyurnina và cộng sự 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Phân tán và đồng nhất vật liệu nano
Đối với cả nhũ tương và phân tán, việc chuẩn bị hỗn hợp kích thước nano là một nhiệm vụ đầy thách thức. Hầu hết các kỹ thuật đồng nhất và pha trộn thông thường như máy trộn lưỡi, máy nghiền hạt, máy đồng nhất áp suất cao và các máy trộn khác đều có khả năng tạo ra các hạt có kích thước micron, nhưng chúng không thể phá vỡ các giọt và chất rắn xuống kích thước nano một cách đáng tin cậy. Điều này chủ yếu là do cường độ không đủ. Ví dụ, máy trộn lưỡi dao không cung cấp đủ lực cắt để phá vỡ các hạt đến kích thước nano. Các nhà máy hạt, một loại đồng nhất khác, không thể nghiền chất rắn đồng đều đến kích thước hạt mịn hơn so với chính các hạt (phương tiện nghiền). Hạt mài thông thường có kích thước trung bình từ 1.500 mm – 35.000 mm. Một vấn đề khác là ô nhiễm do hao mòn của môi trường phay. Kể từ khi ultrasonicators cung cấp lực cắt cực kỳ cao, nhưng chính xác có thể kiểm soát, siêu âm cavitation là kỹ thuật ưa thích để sản xuất đáng tin cậy của phân tán nano và nhũ tương nano trong phòng thí nghiệm (R&D), thí điểm và thiết lập công nghiệp.
Phân tán siêu âm cho thấy sự phân bố kích thước hạt đồng đều với các hạt giảm đồng nhất. Các đường cong cho thấy sự phân bố hạt của silica trước siêu âm (đường cong màu xanh lá cây) và sau khi phân tán siêu âm (đường cong màu đỏ).
Mở rộng quy trình đồng nhất siêu âm
Khi mở rộng quy mô từ một phòng thí nghiệm siêu âm homogenizer để một ultrasonicator thí điểm, và từ một hệ thống thí điểm để một homogenizer siêu âm sản xuất quy mô đầy đủ, việc mở rộng quy mô có thể được áp dụng hoàn toàn tuyến tính! Tất cả các thông số quá trình quan trọng như biên độ, áp suất, nhiệt độ và thời gian xử lý được giữ không đổi, chỉ có diện tích bề mặt của đầu dò siêu âm và ultrasonicator làm máy khuấy năng lượng của đầu dò được thu nhỏ thành các đơn vị lớn hơn, mạnh hơn. Khả năng mở rộng tuyến tính của quá trình đồng nhất siêu âm cho phép thu được trong sản xuất lớn các kết quả chất lượng cao tương tự như trong phòng thí nghiệm và cài đặt thí điểm.
Tìm homogenizer siêu âm phù hợp nhất cho quá trình của bạn!
Hielscher Ultrasonics là đối tác có kinh nghiệm lâu năm của bạn cho homogenizers siêu âm. Tất cả các ultrasonicators Hielscher được thiết kế, sản xuất và thử nghiệm tại trụ sở chính của chúng tôi ở Đức trước khi chúng tôi gửi chúng cho khách hàng trên toàn thế giới. Hielscher siêu âm homogenizers là thiết bị chất lượng cao charcterized bởi hiệu suất cao liên tục, độ tin cậy, mạnh mẽ, và thân thiện với người dùng. Sự tinh vi kỹ thuật của công nghệ đồng nhất siêu âm mang lại cho người sử dụng thiết bị Hielscher lợi thế cạnh tranh, khiến họ trở thành công ty dẫn đầu thị trường trong ngành công nghiệp của họ. Với phạm vi sản phẩm rộng từ phòng thí nghiệm và băng ghế dự bị homogenizers, hệ thống thí điểm và đồng nhất siêu âm công nghiệp đầy đủ cho các sản phẩm thương mại, Hielscher có hệ thống trộn siêu âm lý tưởng cho yêu cầu của bạn. Các phụ kiện đa tạp cho phép thiết lập đồng nhất siêu âm lý tưởng – phù hợp với nhu cầu cá nhân.
Hãy cho chúng tôi biết yêu cầu quy trình và thông số kỹ thuật của bạn – Chúng tôi sẽ sẵn sàng giới thiệu cho bạn máy đồng nhất siêu âm phù hợp và hiệu quả nhất cho ứng dụng của bạn!
Hiệu quả cao bằng cách sử dụng siêu âm homogenizers
Do hiệu quả quá trình phi thường, chi phí đầu tư hợp lý, hiệu quả năng lượng rất cao và chi phí lao động và bảo trì thấp, Hielscher siêu âm homogenizers vượt trội hơn các kỹ thuật đồng nhất thông thường và đạt được RoI nhanh (Lợi tức đầu tư). Thông thường, một homogenizer siêu âm được khấu hao trong vòng một vài tháng.
Siêu âm công suất cao để đồng nhất hóa công nghiệp
Biên độ là tham số quá trình quan trọng nhất trong các quá trình đồng nhất điều khiển siêu âm. Tất cả các ultrasonicators Hielscher cho phép kiểm soát chính xác biên độ. Tùy thuộc vào mục tiêu quá trình, biên độ thấp hơn có thể được đặt cho điều kiện xử lý nhẹ hơn hoặc biên độ cao được chọn cho kết quả phân tán phá hủy nhiều hơn. Hielscher sonicators công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Yêu cầu bảo trì thấp cho đồng nhất siêu âm
Máy đồng nhất siêu âm không chỉ dễ dàng để làm sạch vì sonotrode và lò phản ứng là các thành phần duy nhất là các bộ phận ướt và tiếp xúc với vật liệu được xử lý. Sonotrode (còn được gọi là sừng siêu âm hoặc đầu dò) và lò phản ứng được làm từ titan và thép không gỉ, tương ứng và có hình dạng sạch sẽ mà không có lỗ hoặc góc chết.
Phần duy nhất có thể bị hao mòn là đầu dò siêu âm, có thể được thay thế mà không làm gián đoạn đáng kể hoạt động. Sonotrode của một ultrasonicator phòng thí nghiệm được thay đổi trong vòng khoảng 10 phút, trong khi sự thay đổi của một sonotrode của một homogenizer siêu âm công nghiệp có thể mất khoảng 30-45 phút.
Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ! Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ sẵn lòng cung cấp thông tin kỹ thuật và các khuyến nghị liên quan đến quy trình!
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdT |
| 0.3 đến 60L | 0.6 đến 12L / phút | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Câu hỏi thường gặp về homogenizers
- Nguyên tắc làm việc của một homogenizer là gì? Một bộ đồng nhất áp dụng lực cắt cho chất lỏng, huyền phù và chất bán lỏng. Việc cắt làm giảm kích thước hạt của hỗn hợp rắn-lỏng và lỏng-lỏng và tạo ra sự phân bố kích thước hạt đồng đều. Đồng nhất có thể tạo ra nhũ tương hoặc phân tán ổn định.
- Nguyên tắc của quá trình đồng nhất hóa là gì? Nguyên tắc cơ bản của đồng nhất hóa liên quan đến việc áp dụng lực cơ học, chẳng hạn như rung động siêu âm và xâm thực vào hỗn hợp không đồng nhất để phá vỡ các hạt thành kích thước mịn đồng đều, đạt được hỗn hợp nhất quán và ổn định ngăn chặn sự phân tách theo thời gian.
- Mục đích chính của đồng nhất hóa là gì? Mục đích chính của đồng nhất hóa là cải thiện tính ổn định và tính nhất quán của sản phẩm bằng cách giảm kích thước hạt. Quá trình này giúp tăng cường các tính chất vật lý của hỗn hợp, chẳng hạn như độ nhớt, kết cấu và thời hạn sử dụng, làm cho nó rất quan trọng trong chế biến thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.
Đọc thêm về siêu âm thực phẩm homogenizers! - Đồng nhất siêu âm là gì? Đồng nhất siêu âm sử dụng sóng âm thanh tần số cao để gây ra cavitation trong môi trường lỏng, dẫn đến lực cắt mạnh phá vỡ các hạt ở cấp độ vi mô. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với sự gián đoạn tế bào, phân tán hạt nano và nhũ tương hóa.
- Sonication cho đồng nhất hóa là gì? Sonication cho homogenization liên quan đến việc áp dụng năng lượng siêu âm cho các mẫu để đạt được sự pha trộn tốt, đồng đều. Quá trình này có hiệu quả để phân tán, nhũ hóa và giảm kích thước của các hạt trong chất lỏng, được sử dụng rộng rãi trong cả bối cảnh nghiên cứu và công nghiệp.
- 2 loại phương pháp sonication là gì? Hai loại phương pháp sonication chính là sonication trực tiếp và gián tiếp. Sonication trực tiếp liên quan đến việc nhúng một đầu dò trực tiếp vào mẫu, trong khi sonication gián tiếp xảy ra trong bồn tắm nơi các mẫu được đặt trong một thùng chứa chìm trong một chất lỏng thân thiện với sonication. Sonication trực tiếp thường dữ dội hơn và hiệu quả hơn cho đồng nhất hóa so với sonication gián tiếp.
Văn học / Tài liệu tham khảo
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.