دستگاه هموژنایزر نوعی تجهیزات اختلاط است که برای ایجاد یک مخلوط یکنواخت و یکدست استفاده می‌شود و انواع اصلی هموژنایزرها شامل نوع فشار بالا (HPH)، مکانیکی و اولتراسونیک هستند.
هموژنایزرها توسط آگوست گاولین برای همگن کردن شیر اختراع شدند. این تجهیزات از یک پمپ جابجایی مثبت سه پیستونی با لوله‌های مویین نصب شده در تخلیه تشکیل شده بود.
هموژنایزر فشار بالا
هموژنایزرهای فشار بالا که به هموژنایزرهای پیستونی گفته می‌شود از یک پمپ فشار بالا و یک شیر همگن‌سازی تشکیل شده‌اند.
پمپ فشار بالا یک نوع رفت و برگشتی با جابجایی مثبت است زیرا این نوع ها ذاتاً برای سیالات چسبناک مناسب هستند و در حالی که تغییرات در جریان و فشار را تجربه می‌کنند کارآمد باقی می‌مانند.
هموژنایزرهای فشار بالا دارای سه پیستون یا پیستون یا بیشتر هستند. انتخاب یک پمپ رفت و برگشتی با پیستون‌های بیشتر باعث تثبیت انتقال سیال به شیر هموژنایزر و کاهش لرزش تجهیزات می‌شود.
فشار وارد شده توسط پمپ به نوع سیال بستگی دارد. اکثر هموژنایزرهای مورد استفاده در صنایع غذایی و دارویی در حدود 8000 psi تا 40000 psi (550 bars تا 2750 bars) کار می‌کنند.
دریچه همگن سازی همانطور که قبلا توضیح داده شد از یک نشیمنگاه، شیر و حلقه ضربه تشکیل شده است. با عبور سیال پیش مخلوط از شیر، سرعت آن افزایش می‌یابد و تلاطم ایجاد می‌کند.
تلاطم، به نوبه خود، گرداب‌هایی ایجاد می‌کند که اجزای پیش مخلوط را تجزیه می‌کند. شکاف کوچک بین نشیمنگاه و دریچه به ایجاد نیروهای برشی قوی کمک می‌کند.
با خروج از شکاف، کاویتاسیون رخ می‌دهد. انفجار ناشی از سیال حفره، امواج ضربه‌ای ایجاد می کند که اجزا را می شکند. کاویتاسیون کارایی فرآیند همگن سازی را بیشتر بهبود می بخشد.
هموژنایزرهای مکانیکی
از انواع هموژنایزر ، هموژنایزرهای مکانیکی از کار مکانیکی به عنوان منبع اصلی انرژی برای شکستن اجزای پیش مخلوط استفاده می‌کنند. عملکرد آنها مشابه یک میکسر با برش بالا است. سیال یا خوراک از قبل مخلوط شده را می‌توان در فشار اتمسفر، فشار کم یا متوسط، بسیار کمتر از فشار یک هموژنایزر فشار بالا وارد کرد.
به جای استفاده از شیر، از قطعات دوار مانند مخروط، تیغه و پارو استفاده می‌شود. روتورها با یک استاتور مناسب جفت می‌شوند تا شرایط مطلوب برای همگن سازی ایجاد شود.
فرآیند همگن سازی متکی بر پارگی مکانیکی ناشی از قطعات متحرک است. با این وجود، اصول فیزیکی که قبلاً ذکر شد که در از هم گسیختگی ذرات دخیل هستند، هنوز برای هموژنایزرهای مکانیکی اعمال می‌شوند.
در زیر محبوب‌ترین انواع هموژنایزرهای مکانیکی آورده شده است.
آسیاب کلوئیدی
آسیاب کلوئیدی یک هموژنایزر است که از یک روتور مخروطی و استاتور تشکیل شده است. روتور و استاتور با فاصله کوچکی از هم جدا می‌شوند که در آن پیش مخلوط به دلیل نیروهای برشی و گریز از مرکز جریان می‌یابد.
از آنجایی که پیش مخلوط از نظر وزنی توسط یک قیف وارد مجموعه روتور-استاتور می‌شود، به سمت بیرون به سمت شکاف یا سوراخ خروجی پرتاب می‌شود.
سرعت چرخش بالا (حدود 3000 تا 15000 دور در دقیقه) روتور باعث برش بسیار زیادی می‌شود که اجزای سیال پیش مخلوط را می‌شکند. علاوه بر این، از آنجایی که سیال توسط روتور شتاب می‌گیرد، می‌توان به سرعت‌های بالای سیال دست یافت. با سرعت کافی، تلاطم نیز ایجاد می‌شود.
مقدار برش را می توان با تغییر فاصله بین روتور و استاتور تنظیم کرد. با این حال، کاهش ترخیص کالا از گمرک تاثیر منفی بر دبی محصول خواهد داشت. این اندازه ذرات حاصل را محدود می کند که به اندازه ذرات ساخته شده توسط هموژنایزرهای فشار بالا و اولتراسونیک ریز نیست.
آسیاب های کلوئیدی برای محصولات بسیار ویسکوز یا محصولات با مقادیر بالایی از ذرات جامد معلق استفاده می شود.
هموژنایزرهای روتور-استاتور
از نظر ساخت، این هموژنایزرها نزدیکترین به میکسرهای برش بالا هستند. مجموعه روتور-استاتور آنها گاهی اوقات سر اختلاط، ژنراتور یا پروب نامیده می‌شود. مجموعه در یک مخزن بچینگ، ظرف، لوله یا ظرفی که در آن سیال پیش مخلوط همگن می‌شود، پایین می آید.
هموژنایزرهای استاتور با شتاب مماس سیال کار می‌کنند، اما به دلیل اینرسی سیال، به طور کامل همراه با روتور جریان نمی‌یابد. در عوض، سیال به سمت شکاف برشی یا ناحیه بین نوک روتور و استاتور جریان می‌یابد.
دیفرانسیل‌های سرعت بالا و جریان سیال متلاطم در داخل شکاف برشی هستند و نرخ برش بالایی را ایجاد می‌کنند. مشخصات روتور و استاتور، فاصله جداسازی آنها و سایر ویژگی‌ها مانند سوراخ‌ها و شکاف‌ها اندازه ذرات حاصل را کنترل می‌کنند.
مواد با سرعت بالا در جهت بالا و پایین وارد سیستم روتور ثابت دوار می‌شوند تا شکل مارپیچی را تشکیل دهند.
مکش ایجاد شده توسط روتور و استاتور، نمونه را بین آنها قرار می‌دهد و آن را در معرض نیروهای برشی بالایی قرار می‌دهد. نمونه‌های جامد با هموژنایزرهای روتور-استاتور ناسازگار هستند و چندین نمونه به زمان و کار نیاز دارند.
آسیاب مهره
آسیاب‌های مهره‌ای (گاهی اوقات به آنها آسیاب گلوله‌ای نیز گفته می‌شود) همگن‌کننده هایی هستند که از مهره‌ها برای آسیاب مکانیکی و شکستن ذرات بزرگ پراکنده در مایع پیش مخلوط استفاده می‌کنند.
مهره‌ها رسانه‌های سنگ زنی هستند که اندازه ذرات را با ضربه قوی و نیروهای برشی کاهش می‌دهند.
مهره‌ها در داخل ظرف بارگیری می‌شوند و با مایع پیش مخلوط در تماس هستند. سپس توسط اجزای داخلی و چرخان مانند پاروها و تیغه‌ها به هم می‌ریزند.
هم زدن را می‌توان با چرخاندن سانتریفیوژ ظرف با سرعت های بسیار بالا نیز انجام داد. هم زدن با استفاده از اجزای دوار معمولاً در هموژنایزرهای بزرگتر مطابق با جریان تولید دیده می‌شود.
هم زدن از طریق یک عمل گریز از مرکز معمولاً در آزمایشگاه‌ها برای تهیه نمونه‌های محصول همگن استفاده می‌شود.
هموژنایزرهای تیغه‌ای
این هموژنایزرها از تیغه ها به عنوان روتور خود استفاده می‌کنند. برخلاف آسیاب‌های کلوئیدی و هموژنایزرهای روتور-استاتور، آنها شکاف برشی تشکیل شده با استاتور ندارند.
اثر برشی تنها با چرخش پر سرعت تیغه ایجاد می‌شود. ساختار و عملکرد آنها بسیار شبیه مخلوط‌کن است.
هموژنایزرهای تیغه‌ای کارایی کمتری نسبت به انواع روتور-استاتور دارند. توانایی همگن شدن آنها برای ایجاد یک مخلوط خوب امولسیون شده و پراکنده کافی است، اما اندازه ذرات حاصل به اندازه سایر انواع هموژنایزر خوب نیست. از رسانه‌های ساینده مانند مهره‌ها برای افزایش کارایی همگن سازی آنها استفاده می‌شود.
هموژنایزرهای اولتراسونیک
هموژنایزرهای اولتراسونیک که به عنوان سونیکاتور یا مختل کننده صوتی نیز شناخته می‌شوند، از یک اصل فیزیکی به نام کاویتاسیون اولتراسونیک بهره می‌برند.
فرکانس‌های اولتراسونیک امواج صوتی هستند که با فرکانس 20 کیلوهرتز یا بالاتر می‌لرزند.
کاویتاسیون با ایجاد دوره‌های نادر و فشرده متناوب در فرکانس‌های اولتراسونیک القا می‌شود. از این رو، علت اصلی اختلال در اجزاء، اثر کاویتاسیون است.
دوره نادری حفره بخار را ایجاد می‌کند، در حالی که دوره فشرده‌سازی باعث انفجار آن می‌شود. این دوره‌ها در یک سیکل موج اولتراسونیک اتفاق می‌افتد.
حفره‌های ایجاد شده در مقیاس میکروسکوپی هستند و در حین کار قابل مشاهده نیستند، اما این مناطق پرانرژی و محلی هستند که می‌توانند به دما و فشار بسیار بالایی برسند.
هموژنایزرهای اولتراسونیک از سه قسمت تشکیل شده‌اند:
ژنراتور: ژنراتور قطعه‌ای است که نیروی الکتریکی را دریافت کرده و آن را به شکل مناسبی برای انرژی دادن به مبدل در فرکانس مورد نظر تبدیل می‌کند.
فرکانس الکتریکی استاندارد سیستم‌های برق 50 و 60 هرتز است. از آنجایی که فرکانس‌های اولتراسونیک از 20 کیلوهرتز و بالاتر است، فرکانس منبع تغذیه باید به محدوده مناسب تغییر یابد.
فرکانس منبع تغذیه به خواص سیال پیش مخلوط بستگی دارد و باید برای ایجاد حفره‌هایی با اندازه مناسب تنظیم شود.
مبدل: مبدل از جریان الکتریکی با فرکانس بالا و نوسانی که توسط ژنراتور تامین می‌شود استفاده می‌کند و آن را به ارتعاش اولتراسونیک تبدیل می‌کند.
رایج ترین نوع مبدل، نوع پیزوالکتریک است. مبدل‌های پیزوالکتریک از طریق پیزوالکتریک معکوس عمل می‌کنند که توانایی یک ماده برای کشیده شدن یا انقباض بر اثر اعمال جریان الکتریکی است.
پروب: پروب چیزی است که با سیال پیش مخلوط در تماس است. یک سر پروب به مبدل متصل است که باعث می‌شود در فرکانس مورد نظر ارتعاش کند. ارتعاش پروب به مایع پیش مخلوط منتقل می شود، جایی که حفره ایجاد می شود.
هموژنایزرهای اولتراسونیک از نظر کاهش اندازه ذرات و بهره‌وری انرژی با هموژنایزرهای فشار بالا قابل مقایسه هستند.
مزیت اصلی هموژنایزرهای اولتراسونیک عملکرد آنها در فشار اتمسفر است. علاوه بر این، با دستکاری توان الکتریکی ژنراتور و دمای سیال پیش مخلوط، می‌توان به راحتی درجه اختلال را تغییر داد. همه اینها بدون استفاده از هیچ قطعه متحرک انجام می‌شود.
عملکردهای اضافی یک هموژنایزر
جدا از تولید امولسیون و سوسپانسیون از طریق کاهش اندازه ذرات و اختلاط، هموژنایزرها عملکردهای دیگری را نیز انجام می‌دهند،
به ویژه در صنایع غذایی و دارویی. توانایی آنها در مختل کردن میکروارگانیسم ها و ترکیبات طبیعی به طور مکانیکی باعث افزایش قابلیت حیات آنها به عنوان تجهیزات پردازش می‌شود.
با این حال، این نقش‌ها به هموژنایزرهای فشار بالا، اولتراسونیک و آسیاب مهره محدود می شود. این هموژنایزرها می‌توانند ذرات را در مقیاس نانو از 50 تا 500 نانومتر مختل کنند.
غیرفعال‌سازی میکروبی: غیرفعال‌سازی میکروبی یکی از اهداف اصلی فرآیند در تولید مواد غذایی و دارویی است.
هموژنایزرها با شکستن دقیق ساختار سلولی میکروارگانیسم‌های پراکنده، این امر را القا می‌کنند.
این به طور بالقوه خطر رشد میکروبی را از بین می‌برد و عمر مفید محصول را طولانی‌تر می‌کند.
از آنجایی که همگن سازی متکی به اقدامات مکانیکی برای تجزیه میکروارگانیسم‌ها است، جایگزین مهمی برای عملیات حرارتی یا پاستوریزه می‌شود که هر دو می‌توانند کیفیت محصول را کاهش دهند.
تقسیم سلولی: شکنش سلولی فرآیند پاره شدن یک سلول در حالی که اجزای داخلی آن دست نخورده باقی می‌ماند. کنترل درجه همگن شدن باعث از هم گسیختگی سلولی و حفظ اجزای درون سلولی می‌شود.
بازیابی اجزای درون سلولی به طور گسترده در صنعت بیوتکنولوژی برای ساخت محصولات زیستی کشاورزی و دارویی استفاده می‌شود.
فعال سازی/غیرفعال سازی آنزیم: همگن سازی با فشار بالا می‌تواند ساختار آنزیم‌ها را تغییر دهد.
آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که به عنوان کاتالیزور عمل می‌کنند و فرآیندهای بیولوژیکی را سرعت می‌بخشند.
با کنترل دقیق فشار همگن، آنزیم‌ها را می‌توان برای فعال یا غیرفعال سازی هدف قرار داد. این تابع یک کاربرد بالقوه در تولید نوشیدنی و مشروبات الکلی ارائه می‌دهد.
استخراج ترکیبی: استخراج ترکیب با استفاده از هموژنایزرها، استخراج به کمک هموژنایزر یا HAE نامیده می‌شود.
فشار دینامیکی که ماده بیولوژیکی از طریق هموژنایزر تجربه می‌کند، پایداری و قابلیت استخراج ترکیبات با ارزش بالا مانند پلی‌فنل‌ها، فلاونوئیدها، لیکوپن و غیره را بهبود می‌بخشد.
هموژنایزرها علاوه بر امولسیون‌سازی و پراکندگی، عملکردهای دیگری نیز انجام می‌دهند. به عنوان مثال می‌توان به غیرفعال‌سازی میکروبی، شکنش سلولی، فعال‌سازی/غیرفعال‌سازی آنزیم و استخراج ترکیب اشاره کرد.
