نحوه عملکرد دستگاه هموژنایزر (homogenizer) یا همگن ساز

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 به‌هم و یا گروهی از مواد مربوط به هم برای ایجاد یک فرم ثابت از وجه‌های 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 بزرگتر همگن باشد در حالیکه در مقیاس کوچکتر 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 قدیمی‌ترین و اصلی‌ترین کاربردهای همگن سازی در صنعت شیر است. شیر دارای چربی‌هائی (لیپیدها) است که ذرات آنها به یک اندازه نبوده و هنگامی‌که شیر گرم می‌شود این چربی‌ها 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 قوی‌تر شود.

روش‌کار همگن سازی :

یکدست سازی ذرات در یک مخلوط مثلا شیر٬ با دستگاهی به نام هموژنایزر انجام می‌گیرد، دستگاهی که حجم زیاد شیر را بوسیله پیستونهای خود٬ از یک مجرای ریز با فشاری حدود دویست بار/متر بر ثانیه عبور می دهد و آن‌را با فشار زیاد به یک هد از جنس تیتانیوم برخورد می‌دهد 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 نمونه‌های مایع استفاده می‌شود، تجهیزات خاصی به‌کار می‌رود. عمده کاربرد این روش در صنایع غذایی، لبنی، دارویی، شیمیایی و بیوتکنولوژی است. در این روش به‌ وسیله پیستون‌های رفت و برگشتی، نمونه‌ها پشت یک شیر فشار قوی که در آن برای عبور ذرات، فاصله قابل تنظیمی وجود دارد، فشرده می‌شوند. ذراتی که از این محل عبور می‌کنند، به‌واسطه 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 می‌شوند. هدف از چنین عملی، تولید کامپوزیت‌های 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 می‌تواند 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 همگن‌ساز فراصوتی دستگاهی به منظور تبدیل یک جریان الکتریکی به یک ارتعاش مکانیکی است که سبب همگن شدن محلول می‌شود. این دستگاه با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع کار می‌کند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب پدیده کاویتاسیون گفته می‌شود. انفجار حباب‌ها تولید موج ضربه‌ای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی می‌کند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریان‌های اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگن‌سازی و تخریب سلول استفاده می‌شود .

اجزای دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک :

• کنترلر: سبب تولید یک جریان متناوب الکتریکی با فرکانس ۲۰ کیلو هرتز و توان قابل تنظیم می‌گردد 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 می‌گردد.

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

کاربردهای هموژنایزر اولتراسونیک :

از جمله کاربردهای متنوع این دستگاه می‌توان به دیسپرس کردن نانوذرات در مایعات، تولید امولسیون و سوسپانسیون پایدار، شکاندن مولکول‌های پلیمری سنگین، فرآوری پروتئینها وDNA، عصاره‌گیری و… اشاره نمود. این قابلیت‌های متعدد، موجب شده که این دستگاه در فناوری نانو نیز جایگاه ویژه‌ای پیدا کند. تولید و پوشش‌دهی ذرات نانومتری، پراکنده‌ساختن ذرات نانومتری در کامپوزیتها و محلول‌ها، 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 می‌گیرند، شیمی و صنایع مرتبط با علم شیمی هستند. به دلیل گستردگی کاربردهای امواج فراصوت در علم شیمی، امروزه شاخه‌های جدیدی جدیدی موسوم به سونوشیمی و سونوالکتروشیمی به کاربرد اولتراسونیک در شاخه شیمی می‌پردازند. در جدول زیر، کاربردهای این دستگاه در تعدادی از حوزه‌های علمی و صنعتی لیست شده است.

کاربرد هموژنایزر در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی را می‌توان به‌صورت زیر دسته بندی کرد:

• شکستن سلول ، باکتری ، ویروس و بافت‌ها به‌طور 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 محلول‌های ترکیبی