مقدمه
هموژنایزر ها به گونه ای طراحی شده اند که کارآمد، قابل اعتماد و آسان برای استفاده باشند و آنها را به انتخابی ایده آل برای هر صنعتی که نیاز به اختلاط یا اختلاط مواد دارد تبدیل می کند. چه برای پردازش بافت، گیاه، غذا یا خاک باشد، هموژنایزرها طوری مهندسی شده اند که نیازهای خاص برنامه را برآورده کنند و اطمینان حاصل کنند که محصول نهایی از بالاترین کیفیت و سازگاری برخوردار است.
هموژنایزرها: یک مرور کلی
یک هموژنایزر برای همگن کردن مواد از انواع مختلف، به عنوان مثال، خاک، غذا، گیاه، بافت و بسیاری دیگر استفاده می شود. فناوری های مختلفی برای توسعه مدل های مختلف برای اختلال استفاده شده است. حتی در آزمایشگاه‌های امروزی، ابزار استاندارد ملات و هاون است که هزاران سال است مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیشتر راه‌حل‌های مدرن مبتنی بر فشار بالا، مکانیکی روتور-استاتور، درمان التراسونیک، آسیاب‌های مهره‌ای، ابزارهای مخلوط‌کن و نیروهای فیزیکی مختلف هستند. اگرچه بین این روش‌ها، کاربردهای زیادی همپوشانی وجود دارد، اما هر روش همگن‌سازی مجموعه خاصی از معایب و مزایای دارد.
هموژنایزر التراسونیک چیست؟
هموژنایزر التراسونیک که به عنوان پردازشگر التراسونیک یا سونیکاتور نیز شناخته می شود، یک دستگاه آزمایشگاهی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای مخلوط کردن، پراکندگی یا امولسیون کردن نمونه ها استفاده می کند. فرآیندی که اتفاق می افتد به عنوان همگن سازی التراسونیک شناخته می شود. فرآیند همگن سازی با اعمال امواج صوتی التراسونیک به یک نمونه به منظور شکستن ذرات و ایجاد یک مخلوط همگن تر انجام می شود.
هموژنایزرهای التراسونیک معمولا در طیف وسیعی از صنایع و زمینه های تحقیقاتی استفاده می شوند. به عنوان مثال داروسازی و صنعت داروسازی، بیوتکنولوژی، بررسی مواد غذایی و به ویژه علم مواد. آنها برای پردازش نمونه هایی مفید هستند که با استفاده از روش های سنتی به سختی همگن می شوند، مانند مایعات چسبناک یا نمونه های حاوی ذرات کوچک که تمایل به ته نشین شدن دارند.
هموژنایزرهای التراسونیک همچنین می توانند برای تهیه نانوذرات مفید باشند، جایی که حفره با انرژی بالا می تواند ذرات بزرگتر را به ذرات کوچکتر و یکنواخت تر تجزیه کند. هموژنایزرهای التراسونیک روشی سریع، کارآمد و قابل اعتماد برای مخلوط کردن، پخش کردن و امولسیون کردن نمونه ها هستند.
اجزای هموژنایزر التراسونیک
هموژنایزر التراسونیک از چند بخش اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:
مبدل التراسونیک
پروب
شاخک (هورن)
ظرف یا محفظه نمونه
مبدل التراسونیک قلب دستگاه هموژنایزر التراسونیک است که انرژی الکتریکی را به امواج صوتی با فرکانس بالا (۲۰ کیلوهرتز تا ۱۰۰ کیلوهرتز) تبدیل می‌کند. این فرآیند از طریق پدیده‌ای به نام اثر پیزوالکتریک انجام می‌شود. مبدل از موادی خاص به نام کریستال‌های پیزوالکتریک ساخته شده است. این کریستال‌ها معمولاً از کوارتز یا سرامیک ساخته می‌شوند و هنگام قرار گرفتن در میدان الکتریکی متغیر، با سرعت بسیار بالا نوسان می‌کنند. این نوسانات به پروب منتقل می‌شود، که انرژی را تقویت کرده و بر روی نمونه متمرکز می‌سازد.
پیزوالکتریک:
زیرکونات تیتانات سرب (PZT) یا همان پبزوالکتربک در تولید بار الکتریکی هنگام فشرده‌سازی مکانیکی یا ارتعاش هنگام اعمال بار الکتریکی، آن را برای کاربردهای سنجش غیرفعال، انتقال فعال و جابجایی مکانیکی بسیار مناسب می‌سازد.
ما از دو نوع غالب مواد پیزوالکتریک استفاده می کنیم که هر کدام مجموعه ای از خواص منحصر به فرد را برای طیف وسیعی از کاربردها ارائه می دهند. دو نوع سرامیک پیزوالکتریک عبارتند از: نوع پر قدرت [سخت” و نوع با حساسیت بالا [نرم”
مواد پیزوالکتریک پر قدرت [سخت» سرامیک هایی هستند که می توانند سطوح بالایی از تنش های الکتریکی و مکانیکی را تحمل کنند و به ویژه برای کاربردهای ولتاژ و توان بالا مناسب هستند.
مواد پیزوالکتریک با حساسیت بالا (نرم) به دلیل حساسیت و گذردهی بالا به ویژه برای کاربردهای حسی مفید هستند.به این ترتیب این سرامیک های پیزوالکتریک اغلب در کاربردهای کم توان به عنوان مبدل، گیرنده و ژنراتور استفاده می شوند.
PZT یک سرامیک قابل ماشین است و می تواند با دقت به لوله ها، حلقه ها، دیسک ها، صفحات و نیمکره ها تبدیل شود.
پروب میله‌ای فلزی (یا شاخک) است که به مبدل التراسونیک متصل می‌شود و درون نمونه قرار می‌گیرد. هورن برای تقویت انرژی انتقال‌یافته از مبدل و تمرکز آن در نمونه طراحی شده است. همچنین باید طوری طراحی شود که از هدررفت انرژی بر اثر بازتاب، جذب یا پراکندگی جلوگیری کند. شکل و اندازه‌ی هورن بسته به کاربرد و ویژگی‌های نمونه (مانند ویسکوزیته، چگالی و حجم) متفاوت است. از رایج‌ترین اشکال هورن می‌توان به استوانه‌ای، مخروطی و تخت اشاره کرد.
ظرف نمونه یا محفظه، ظرفی است که نمونه در طی فرآیند هموژن‌سازی التراسونیک در آن قرار می‌گیرد. این ظرف می‌تواند از مواد مختلفی مانند شیشه، پلاستیک، فلز یا سرامیک ساخته شود؛ بسته به میزان سازگاری آن با نمونه و انرژی التراسونیک. ظرف باید توانایی تحمل امواج صوتی با شدت بالا و تغییرات دمایی و فشاری ناشی از آن را داشته باشد، بدون آن‌که دچار شکستگی یا تغییر شکل شود. برخی ظروف همچنین ممکن است دارای ویژگی‌هایی مانند خنک‌سازی یا گرمادهی برای کنترل دمای نمونه در حین سونیکیشن باشند. افزون بر این، هموژنایزرهای التراسونیک معمولاً دارای امکانات ایمنی مانند کلید ایمنی یا فیوز نیز هستند.
هموژنایزر التراسونیک چگونه کار می کند؟
اصل عملکرد هموژن‌سازی التراسونیک بر پایه پدیده‌ای به نام “کاویتاسیون آکوستیک” استوار است.
این پدیده زمانی رخ می‌دهد که امواج صوتی با شدت بالا از میان یک مایع عبور می‌کنند. هنگامی که انرژی الکتریکی به مبدل التراسونیک اعمال می‌شود، این انرژی به امواج صوتی با فرکانس بالا تبدیل می‌شود. این امواج از طریق پروب وارد مایع شده و چرخه‌های متناوبی از فشار بالا (فاز تراکم) و فشار پایین (فاز انبساط) ایجاد می‌کنند.
در طی فاز انبساط، حباب‌ها یا حفره‌های میکروسکوپی در مایع شکل می‌گیرند. با افزایش فشار در فاز تراکم، این حباب‌ها به‌سرعت دچار فروپاشی می‌شوند که منجر به تولید دما و فشارهای بسیار بالا به صورت موضعی می‌گردد. این پدیده باعث ایجاد نیروهای برشی شدید، امواج ضربه‌ای و میکروجت‌ها می‌شود.
چنین نیروهای شدیدی، سلول‌ها یا ذرات موجود در نمونه را تخریب کرده یا پراکنده می‌کنند و آنها را به قطعات کوچکتر و یکنواخت‌تر تبدیل می‌سازند. نتیجه‌ی این فرآیند، یک نمونه‌ی هموژن یا سونیکه‌شده است که برای کاربردهای مختلفی از جمله تحلیل، استخراج، خالص‌سازی یا سنتز آماده می‌باشد.
انواع هموژنایزرهای التراسونیک
هر نوع از هموژنایزر التراسونیک مزایای خاص خود را دارد. انتخاب نوع مناسب به کاربرد مورد نظر و ویژگی‌های نمونه‌ای که باید پردازش شود بستگی دارد. برخی از رایج‌ترین انواع هموژنایزر التراسونیک عبارتند از:
هموژنایزر التراسونیک آزمایشگاهی
این نوع هموژنایزر برای استفاده در آزمایشگاه طراحی شده است و در کاربردهای کوچک تا متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد. طراحی آن معمولاً جمع‌وجور و ارگونومیک است. این دستگاه معمولاً در بازه فرکانسی ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز کار می‌کند و قادر است حجم‌هایی از چند میلی‌لیتر تا چند لیتر را پردازش کند.
همچنین این نوع هموژنایزر قابلیت کارکرد مداوم تا ۲۴ ساعت را دارد و برای بسیاری از کاربردهای پژوهشی و تحلیلی مناسب است.
هموژنایزر التراسونیک جریان-پیوسته (Flow-Through)
این نوع هموژنایزر از یک شاخک یا محفظه‌ی جریان-پیوسته ویژه برای پردازش مداوم نمونه‌های مایع استفاده می‌کند. این دستگاه‌ها اغلب برای پردازش در مقیاس بالا به‌کار می‌روند، به‌ویژه در صنایعی مانند صنایع غذایی و نوشیدنی.
دستگاه هموژنایزر التراسونیک قابل حمل
هموژنایزرهای التراسونیک قابل حمل، دستگاه‌هایی هستند کوچک، جمع‌وجور و قابل حمل که آنها را برای استفاده در میدان یا مکان‌هایی با فضای محدود ایده‌آل می‌سازد. این دستگاه‌ها برای کاربردهایی مانند امولسیون‌سازی، پخش ذرات، لیز سلولی و سنتز نانوذرات بسیار مناسب هستند.
همچنین در مواردی که نمونه‌ها قابل انتقال به آزمایشگاه نیستند—مانند نمونه‌های زیستی یا محصولات غذایی—این دستگاه‌ها بسیار کاربردی هستند. طراحی قابل حمل و جمع‌وجور آنها، باعث محبوبیتشان در تحقیقات، کنترل کیفیت و تولید شده است.
این نوع هموژنایزرها معمولاً با باتری کار می‌کنند و می‌توانند برای آماده‌سازی نمونه‌ها در محل مانند آزمایش خاک یا پایش کیفیت آب مورد استفاده قرار گیرند.
کاربردهای هموژنایزر التراسونیک
هموژنایزرهای التراسونیک ابزارهایی چندمنظوره هستند که در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند؛ از جمله داروسازی، زیست‌فناوری، فرآوری مواد غذایی، سنتز شیمیایی و علوم مواد. برخی از رایج‌ترین کاربردهای هموژنایزرهای التراسونیک عبارتند از:
لیز سلولی و استخراج DNA
هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند برای تخریب سلول‌ها و استخراج DNA، RNA یا پروتئین‌ها از نمونه‌های زیستی مانند بافت‌ها، سلول‌ها، باکتری‌ها یا ویروس‌ها استفاده شوند. امواج صوتی با شدت بالا قادرند غشاهای سلولی را بشکنند و محتویات درون‌سلولی را آزاد کنند تا بتوان آنها را جداسازی و تحلیل کرد.
هموژنیزه‌کردن و مخلوط‌سازی
با اعمال امواج صوتی فرکانس بالا، هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند برای مخلوط کردن و هموژنیزه کردن مواد مختلف مانند پودرها، مایعات یا گازها به‌کار روند. این فرآیند باعث افزایش یکنواختی و ثبات مخلوط شده و می‌تواند واکنش‌پذیری یا انحلال‌پذیری اجزا را بهبود بخشد.
گاززدایی و هواگیری
این دستگاه‌ها می‌توانند برای حذف حباب‌های هوا یا گازهای محبوس‌شده در مایعات مانند حلال‌ها، پوشش‌ها یا رزین‌ها استفاده شوند. امواج صوتی پرقدرت موجب تشکیل حباب‌های کاویتاسیونی می‌شوند که در هنگام فروپاشی، گازهای محبوس را آزاد می‌کنند و در نهایت محصولی یکنواخت‌تر و بدون نقص تولید می‌شود.
کاهش اندازه ذرات و نانوساختارسازی
هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند برای کاهش اندازه ذرات یا تجمعات تا مقیاس نانومتر به‌کار روند، که این امر باعث افزایش سطح تماس، واکنش‌پذیری یا زیست‌دسترسی آنها می‌شود. امواج صوتی با شدت بالا باعث ایجاد نیروهای برشی، کاویتاسیون و جریان آکوستیک شده و در نهایت منجر به تجزیه و تکه‌تکه شدن ذرات می‌شود.
سنتز شیمیایی و کاتالیز
این دستگاه‌ها می‌توانند در افزایش سرعت و انتخاب‌پذیری واکنش‌های شیمیایی مانند هیدرولیز، استریفیکاسیون، اکسایش یا کاهش مؤثر باشند. امواج التراسونیک باعث افزایش انتقال جرم، اختلاط و فعال‌سازی واکنش‌دهنده‌ها شده و در نهایت فرآیندی کارآمدتر و پایدارتر را فراهم می‌سازند.
تمیزکاری و استریل‌سازی
هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند برای تمیزکردن و استریل‌سازی سطوح، تجهیزات یا ابزارآلات مورد استفاده قرار گیرند. این کار با اعمال امواج صوتی شدید در محلول‌های شوینده یا ضدعفونی‌کننده انجام می‌شود. اثر کاویتاسیون ناشی از امواج صوتی می‌تواند آلودگی‌ها، ذرات و میکروارگانیسم‌ها را از سطح جدا کرده و روش تمیزکاری مؤثرتر و سازگار با محیط‌زیست ارائه دهد.
امولسیون‌سازی و پخش ذرات
هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند برای ایجاد امولسیون‌ها و پخش‌های پایدار از مایعات (مانند امولسیون روغن در آب یا آب در روغن) یا سوسپانسیون ذرات جامد در مایع استفاده شوند. امواج صوتی فرکانس بالا موجب شکستن کشش سطحی و از بین بردن تجمعات ذرات می‌شوند.
تنها با ۱۰ دقیقه سونیکیشن، هموژنایزرهای التراسونیک می‌توانند مساحت بین‌مولکولی سطحی را تا ۵ برابر کاهش دهند. نتیجه این فرآیند، پخش یکنواخت‌تر و پایدارتر مواد است.
ساخت گرافن با استفاده از هموژنایزر التراسونیک
یکی دیگر از ویژگی های کمتر شناخته شده هموژنایزرهای التراسونیک، تولید صفحات گرافن با استفاده از گرافیت است. ما آلوتروپ ساختار شش ضلعی گرافیت اتم کربن را می شناسیم. ساختار گرافیت توسط این ورقه های لانه زنبوری انباشته به وجود می آید. از سوی دیگر، گرافن ساختاری است که از لایه های ضخیم 1 اتمی گرافیت تشکیل شده است. با ساختار منحصر به فرد خود دارای خواصی است که از بسیاری از مواد برتر است.
گرافن یا نوع دیگری از گرافن، “اکسید گرافن (GO)” که شکل اکسید شده گرافن است را می توان با روشی به نام “لایه برداری” تولید کرد. فرآیند لایه برداری را می توان به راحتی با هموژنایزر التراسونیک انجام داد. پودر گرافیت و یک حلال آلی (موادی مانند N، N- دی متیل فرمامید (DMF)، تتراهیدروفوران (THF)، دی متیل سولفوکسید (DMSO) و غیره) مخلوطی که توسط یک هموژنایزر التراسونیک برای فرآیند لایه برداری فراصوت می شود. این باعث می شود گرافیت با لایه های جداگانه اتم های کربن ساختار شش ضلعی برخورد کند. این فرآیند می تواند منجر به تولید ورقه های نانو گرافن با کیفیت بالا شود، اما به هموژنایزرهای التراسونیک با کارایی بالا نیاز دارد. با یک هموژنایزر التراسونیک مناسب، اندازه جانبی گرافن تولید شده می تواند به محدوده 400 نانومتر تا 20 میکرون برسد.
محفظه کاهش دهنده صدا برای هموژنایزر التراسونیک
از آنجایی که هموژنایزر التراسونیک ولتاژ را به امواج صوتی با فرکانس بالا تبدیل می کند و هموژنایزر التراسونیک صدای زیادی ایجاد می کند، همانطور که می توان انتظار داشت. به همین دلیل یک محفظه برای کاهش سطح صدای عملیاتی هموژنایزر التراسونیک ساخته شده است که به آن محفظه کاهش صدا می گویند. یک محفظه کاهش دهنده صدا برای هموژنایزر التراسونیک یک راه موثر برای کاهش میزان نویز تولید شده توسط هموژنایزر است. مهم است که از افت شنوایی موقت و دائم محافظت شود و محیط آزمایشگاهی یا صنعتی برای دانشمندان یا همه کاربران راحت تر باشد.
محفظه کاهش صدا چگونه کار می کند؟
یک محفظه کاهش صدا برای به حداقل رساندن صدای تولید شده توسط هموژنایزر التراسونیک با ایجاد مانعی بین هموژنایزر التراسونیک و محیط اطراف طراحی شده است. محفظه معمولاً از مواد جاذب صدا مانند فوم یا فایبرگلاس ساخته شده است و ممکن است دارای ویژگی های اضافی مانند پایه های عایق لرزش و پتوهای صوتی باشد.
محفظه به اندازه کافی بزرگ طراحی شده است تا هموژنایزر التراسونیک را در خود جای دهد و در عین حال امکان دسترسی آسان به کنترل ها و پروب هموژنایزر را فراهم می کند. همچنین ممکن است شامل ویژگی هایی مانند یک پنجره شفاف یا یک نور داخلی برای تسهیل مشاهده فرآیند همگن سازی باشد.
هنگامی که هموژنایزر التراسونیک در داخل محفظه قرار می گیرد، امواج صوتی تولید شده توسط هموژنایزر توسط مواد جاذب صدا جذب می شود که باعث کاهش صدای خروجی از محفظه می شود. پایه های عایق لرزش و پتوهای آکوستیک هر گونه صدای باقیمانده را کاهش می دهند و از انتشار آن به محیط اطراف جلوگیری می کنند.
نتیجه‌گیری
هموژنایزرهای التراسونیک به دلیل قابلیت استریل کردن، پراکندگی، کاتالیز و همگن کردن نمونه هایی که پردازش آنها با استفاده از روش های سنتی دشوار است، به ابزاری ضروری در بسیاری از صنایع و زمینه های تحقیقاتی تبدیل شده است. هموژنایزرهای التراسونیک سریع، کارآمد، قابل اعتماد و قادر به پردازش نمونه ها در حجم های مختلف از چند میلی لیتر تا چند لیتر هستند. با انرژی امواج صوتی، به لطف فناوری هموژنایزرهای التراسونیک، می توان کاربردهای بسیاری داشت. پیشرفت در فناوری هموژنایزرهای التراسونیک راه های جدیدی را برای تحقیق، توسعه و تولید صنعتی باز کرده است.
منبع:
- Exploring the Power and Potential of Ultrasonic Homogenizers – Nanografi – Nanografi Advanced Materials
- Homogenizer Types, Properties & Applications in Various Industries – Nanografi – Nanografi Advanced Materials
- Gaulin Homogenizer
- Lead Zirconate Titanate (PZT) – Ultrasonic Homogenizer, Sonicator, Cutter