دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک

هموژنیزاسیون و یا همگن سازی که از پیشوند همو (برگرفته از کلمه یونانی به همین نام) به معنی مشابه و همگن تشکیل شده است، فرآیندی است که برای ایجاد مخلوطی همگن و یک دست از دو مایع غیر حلال و یا جامد و مایع استفاده می شود.
چنین امری با تبدیل یکی از مایعات (جامد) به حالتی که دارای ذرات بی نهایت ریز است و در سراسر بخش های مایع دیگر به صورت یکنواخت توزیع شده اند، حاصل می شود. بیشترین استفاده از انواع همگن ساز ها در صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و دارویی می باشد. فرآیند هموژنیزاسیون توسط دستگاهی به نام هموژنایزر حاصل می شود.

هموژنایزر یا Homogenizer یکی از تجهیزات آزمایشگاهی است که برای همگن سازی (Homogenization) و خرد کردن بازه گسترده ای از مواد مایع و جامد بکار می رود. دستگاه هموژنایزر به صورت فیزیکی ماده مورد نظر را به اندازه های کوچک و یکنواخت تبدیل می کند. هموژن کردن مواد با استفاده از دستگاه همگن ساز نسبت به روش های قدیمی تر باعث تولید نمونه های با کیفیت تر با امکان آلودگی زیست محیطی کمتر، احتمال نشر بیماری پایینتر، سر و صدای کمتر و سرعت بالاتر می باشد.

کاربرد هموژنایزر
هموژنایزر در بسیاری زمینه های تحقیقاتی و علمی مانند پزشکی قانونی، میکروبیولوژی، بیوتکنولوژی، دامپزشکی، شیمی، زمین شناسی، فلزشناسی، زیست بوم شناسی، کنترل غذا و نوشیدنی، داروسازی و تغذیه کاربرد دارد. از هموژنایزر برای همگن سازی و خرد کردن موادی مانند خاک، گیاهان، مواد غذایی، اجزای بدن موجودات مانند استخوان و دندان و مو، خون و قارچ، باکتری و… استفاده می شود. یکی از قدیمی ترین کاربردهای آن هموژنیزه کردن شیر و یکنواخت کردن پراکندگی چربی در بخش مایع آن می باشد.

انواع هموژنایزر
هموژنایزر اولتراسونیک (Ultrasonic)
هموژنایزر فشار بالا (High Pressure)
هموژنایزر بید میل (Bead mill)
از بین انواع هموژنایزر تنها مدل بید میل قابلیت همگن سازی و خرد کردن هم مایعات و هم جامدات را دارد و سایر مدل ها تنها قابلیت هموژنیزه کردن مایعات را دارند. یکی از محصولات اصلی کمپانی دامل (Domel) دستگاه Bead Mill می باشد. این دستگاه قابلیت همگن سازی رنج گسترده ای از مواد جامد و مایع را دارد.

بخش های مختلف دستگاه هموژنایزر
بدنه اصلی دستگاه
ظرف مخصوص نمونه دارای ابعاد و جنس های متنوع برای کاربردهای مختلف (معمولا از جنس فولاد ضد زنگ Stainless Steel و تفلون PTFE)
گوی فلزی با اندازه های مختلف
هموژنایزر چگونه کار می کند
برای خرد کردن نمونه های جامد به ابعاد کوچک تر در ابتدا نمونه جامد به همراه گوی های فلزی در ظرف مخصوص نمونه قرار گرفته و روی بدنه اصلی دستگاه هموژنایزر در محل تعبیه شده قرار می گیرد. پس از تنظیم شدت نوسان در دستگاه همگن کننده بر حسب هرتز (Hz) و زمان نوسان، ظرف نمونه به شدت به حرکت درآمده و این حرکت موجبات برخورد نمونه جامد و گوی و تبدیل شدن آن به قطعات ریزتر و کاربردی تر را به صورت یکنواخت فراهم می آورد.

در مورد مایعات نیز حرکت شدید ظرف نمونه باعث اختلاط دو فاز امتزاج ناپذیر و پراکندگی یکنواخت آنها در یکدیگر می گردد. در واقع حرکت سریع باعث ریزتر شدن فاز غیر قابل امتزاج و قرار گرفتن آن در بین فاز دیگر می شود.

تاریخچه دستگاه هموژنایزر:
در سال 1899، Gaulin دستگاه همگن ساز خود را ثبت اختراع نمود. این اختراع شامل یک پمپ پیستونی بود که در آن ماده از طریق یک یا چند لوله مویین تحت فشار قرار می گرفت. در نمایشگاه جهانی در پاریس در سال 1900، Gaulin اختراع خود به عنوان روشی برای فرآیند کردن شیر به نمایش گذاشت. بر اساس منابع و نشریات آن زمان، کلمه همگن سازی اولین بار برای توصیف فرآیند کردن شیر با دستگاه اختراع شده توسط Gaulin، استفاده شد. بعد ها کاربرد این دستگاه در صنعت و پزشکی نمود بیشتری پیدا کرد.

تعریف فرآیند همگن سازی:
همگن سازی، آمیختن شدید برای یکدست نمودن ذرات در دو ماده مرتبط به هم و یا گروهی از مواد مربوط به هم برای ایجاد یک فرم ثابت از وجه های مختلف نامحلول (گاهی بکمک افزودن سورفکتانتها) برای به دست آوردن سوسپانسیون و یا امولسیون است. همگن کردن فرایندی برای دستیابی به یکنواختی اندازه ذرات یک محصول است. همگن سازی شامل حوزه بسیار وسیعی از کاربردها و روش هاست. وقتی کسی می گوید همگن سازی، ممکن است به معنای انجام یک یا چند تا از موارد زیر باشد: ترکیب کردن، مخلوط کردن، هم زدن، امولسیونی سازی، پخش کردن، تکان دادن و غیره. همگن بودن مفهومی مرتبط با یکنواختی ماده است. یک ماده همگن در ترکیب یا ویژگی های فیزیکی یکنواخت است. هرچند یک ماده ممکن است در مقیاس بزرگ تر همگن باشد در حالی که در مقیاس کوچک تر در داخل همان ماده ناهمگن است. بیشترین استفاده از انواع همگن ساز ها در صنایع غذایی، صنایع شیمیایی و دارویی می باشد. یکی از کاربردهای مهم همگن سازی در صنعت مواد غذایی، همگن سازی شیر است.

کاربرد همگن سازی:
یکی از قدیمی ترین و اصلی ترین کاربردهای همگن سازی در صنعت شیر است. شیر دارای چربی هائی (لیپیدها) است که ذرات آنها به یک اندازه نبوده و هنگامی که شیر گرم می شود این چربی ها به صورت سرشیر روی شیر پخش می شوند و بشکل خامه روی سطح شیر را می گیرند. برای جلوگیری از این بروز این وضعیت باید ذرات چربی شکسته و یک اندازه شوند تا پیوند بین آنها قوی تر شود.

روش کار همگن سازی:
یکدست سازی ذرات در یک مخلوط مثلا شیر٬ با دستگاهی به نام هموژنایزر انجام می گیرد، دستگاهی که حجم زیاد شیر را به وسیله پیستونهای خود٬ از یک مجرای ریز با فشاری حدود دویست بار/متر بر ثانیه عبور می دهد و آن را با فشار زیاد به یک هد از جنس تیتانیوم برخورد می دهد تا ذرات شکسته شده و تمامی چربی و مواد داخل شیر با ماده پایه شیر٬ همگن شوند و تقریباً به شکل محلول درآیند.

انواع همگن سازها:
همگن ساز تحت فشار
در روش تحت فشار که به طور معمول در نمونه های مایع استفاده می شود، تجهیزات خاصی به کار می رود. عمده کاربرد این روش در صنایع غذایی، لبنی، دارویی، شیمیایی و بیوتکنولوژی است. در این روش به وسیله پیستون های رفت و برگشتی، نمونه ها پشت یک شیر فشار قوی که در آن برای عبور ذرات، فاصله قابل تنظیمی وجود دارد، فشرده می شوند. ذراتی که از این محل عبور می کنند، به واسطه اختلاف فشاری که بین دو طرف شیر وجود دارد، دچار یک تلاطم (توربولانس) شده و در اثر برخورد با سرعت بالا با یکدیگر باعث خرد شدن ذرات می شوند. هدف از چنین عملی، تولید کامپوزیت های همگن، امولسیونی و یا ذرات ریز آسیاب شده است. مطمئن باشید که خروجی این روش تغییری در مشخصات مواد از قبیل رنگ، مقادیر طبیعی، قابلیت حلالی و پایداری پدید نخواهد آورد.

همگن ساز مکانیکی
این دستگاه جهت میکس و همگن کردن مواد طراحی شده که با پراکندن ذرات جامد در مایع، تشکیل امولسیون، سوسپانسیون یا محلول کامل ایجاد می نماید. به همین علت دارای طیف وسیع کاربرد در صنایع داروسازی، غذایی، بهداشتی، شیمیایی و نساجی جهت ساخت محلول ها، روکش های مواد، ساخت رنگ و فراورده های خوراکی می باشد. دستگاه همگن ساز مکانیکی از یک مجموعه روتور استاتور و پره تشکیل شده که حرکت چنگک ها با سرعت زیاد باعث له کردن و فشردن و شکستن ذرات درهم می شود که این امر قابلیت همگن کردن مواد غلیظ و سوپر ویسکوز تا (cps 50000) را در مدت زمان بسیار کم فراهم می نماید.

هموژنایزر اولتراسونیک
یکی از روش هایی که به طور گسترده برای تخریب سلول و همگن سازی استفاده می شود، اولتراسونیک است. این دستگاه با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع کار می کند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب تشکیل سریع میکرو حباب می گردد که رشد و یکی شدن این حباب ها تا رسیدن به اندازه بیشینه و در نهایت ترکیدن آنها حرارت شدیدی ایجاد می نماید. به این پدیده کاویتاسیون گفته می شود. انفجار حباب ها تولید موج ضربه ای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی می کند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریان های اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگن سازی و تخریب سلول استفاده می شود. این فرآیند می تواند به پاشش مایع با سرعتی در حدود 420 کیلومتر در ساعت و ایجاد فشاری معادل 200 بار در آن شود.

هموژنایزر اولتراسونیک:
هموژنایزر اولتراسونیک (Ultrasonic Homogenizer) یا همگن ساز فراصوتی دستگاهی به منظور تبدیل یک جریان الکتریکی به یک ارتعاش مکانیکی است که سبب همگن شدن محلول می شود. این دستگاه با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع کار می کند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب پدیده کاویتاسیون گفته می شود. انفجار حباب ها تولید موج ضربه ای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی می کند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریان های اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگن سازی و تخریب سلول استفاده می شود.

اجزای دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک:
کنترلر: سبب تولید یک جریان متناوب الکتریکی با فرکانس 20 کیلو هرتز و توان قابل تنظیم می گردد که وظیفه کنترل ورودی و نمایش پارامترهای قابل مشاهده و مدیریت فرایند را نیز دارد.

مبدل فراصوت: جریان متناوب تولید شده توسط کنترلر در این قسمت سبب ارتعاش مکانیکی قطعه پیزوالکتریک دستگاه شده که در نهایت سبب ارتعاش تیپ می گردد.

هورن: موج مکانیکی تولید شده در قطعه پیزوالکتریک به تیپ دستگاه انتقال یافته، تشدید شده و در نهایت به محیط واکنش منتقل می گردد.

کاربردهای هموژنایزر اولتراسونیک:
از جمله کاربردهای متنوع این دستگاه می توان به دیسپرس کردن نانوذرات در مایعات، تولید امولسیون و سوسپانسیون پایدار، شکاندن مولکول های پلیمری سنگین، فرآوری پروتئینها وDNA، عصاره گیری و… اشاره نمود. این قابلیت های متعدد، موجب شده که این دستگاه در فناوری نانو نیز جایگاه ویژه ای پیدا کند. تولید و پوشش دهی ذرات نانومتری، پراکنده ساختن ذرات نانومتری در کامپوزیتها و محلول ها، سنتز نانوذرات پلیمری، اکسیدی و… از جمله کاربردهای امواج فراصوت در این شاخه از علم است. شاخه دیگری که به طور وسیعی از این تجهیز بهره می گیرند، شیمی و صنایع مرتبط با علم شیمی هستند. به دلیل گستردگی کاربردهای امواج فراصوت در علم شیمی، امروزه شاخه های جدیدی جدیدی موسوم به سونوشیمی و سونوالکتروشیمی به کاربرد اولتراسونیک در شاخه شیمی می پردازند. در جدول زیر، کاربردهای این دستگاه در تعدادی از حوزه های علمی و صنعتی لیست شده است.

کاربرد هموژنایزر در آزمایشگاه های تحقیقاتی را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
شکستن سلول، باکتری، ویروس و بافت ها به طور مثال جهت استخراج سلول

امولسیون در آوردن موادی که به سختی قابل حل هستند مانند روغن در آب و یا ذرات در حد میکرومتر

مخلوط کردن مواد شیمیایی جهت واکنش بر یکدیگر

جداسازی ذرات درحد نانومتر در موارد تحقیقاتی پزشکی، بیوتکنولوژی، صنعت اتومبیل

تولید محلول های ترکیبی