Homogenizacja
Jest to proces polegający na wytworzeniu jednorodnej mieszaniny z produktów, które z pozoru nie mieszają się ze sobą. Często z tym procesem mamy do czynienia, gdy mieszamy fazę wodną z fazą tłuszczową. Jak wiemy tłuszcz ma mniejszą gęstość niż woda i „lubi” wypływać na powierzchnię.
Proces homogenizacji to dyspergowanie czyli rozprowadzanie jednej substancji (faza rozproszona) w innej substancji (faza ciągła). W wyniku homogenizacji uzyskuje się jednorodną emulsję o odpowiedniej stabilności, czyli wysoki poziom rozdrobnienia cząstek, a także jednakowy rozmiar kropel fazy rozproszonej.
Wytwarzając emulsję zależy nam na tym, aby była jak najbardziej gładka i wykazywała jak najlepsze właściwości reologiczne.
Zastosowanie homogenizacji
Dość szeroko proces ten stosuje się w przetwórstwie spożywczym np. przy emulsjach napojowych. Emulsje napojowe to nic innego jak emulsje typu olej w wodzie. Wytwarzane są w formie skoncentrowanej ale aby otrzymać napój rozcieńcza się je w roztworze z cukru.
Niezależnie od formy powinny charakteryzować się wysokim poziomem stabilności. Ich niestabilność mogą powodować separacja grawitacyjna, koalescencja (łączenie się cząstek w większe skupiska), flokulacja (tworzenie się osadu bądź mętnej zawiesiny) czy dojrzewanie Ostwalda.
Emulsje napojowe stosuje się by nadać napojom smak, zapach czy barwę. W przemyśle spożywczym przy użyciu homogenizatorów produkuje się soki owocowe lub warzywne czy odżywki dla dzieci.
W przetwórstwie mlecznym homogenizacja ma zastosowanie przy rozdrabnianiu z jednoczesnym miksowaniem sera twarogowego, z którego powstanie gładka i jednorodna struktura czyli serek homogenizowany. Homogenizuje się również śmietanę czy mleko, by uzyskać lepsze właściwości fizyczne np. bielszą barwę, która jest apetyczniejsza lub podkreślić wrażenia organoleptyczne.
Emulsje produkowane w przemyśle kosmetycznym muszą zapewniać odpowiedni wygląd skóry. Powinny działać ochronnie, nawilżająco bądź oczyszczająco. Co więcej powinny być jak najłatwiejsze w aplikacji na skórę czyli mieć odpowiednią lepkość, konsystencję i jednolitość.
By podnieść jakość produkowanego kosmetyku, spotęgować wchłanianie składników przez skórę, czy podwyższyć trwałość stosuje się właśnie homogenizatory, które przez zwiększanie sił ścinania powodują, że powstały produkt ma dużo lepsze właściwości dla naszych zmysłów i intensywniejszą barwę.
Homogenizacja znajduje swoje zastosowanie również w farmacji czy w biotechnologii. Proces dezintegracji komórek wykorzystuje się do uzyskania homogenatu z tkanek zwierzęcych jak również mając do czynienia z komórkami roślinnymi, grzybów, drożdży czy bakterii.
Wyodrębnienie przydatnego materiału (białka, DNA czy enzymy), nie pozbawiając go przy tym aktywności enzymatycznej wymaga ogromnej wiedzy i odpowiednio dobranej metody homogenizacji.
Sposoby homogenizacji
Metod homogenizacji jest wiele. Homogenizatory są wykorzystywane zarówno w laboratorium jak i przy produkcji na skalę przemysłową. Najczęściej spotykane procesy emulgowania zachodzą przy użyciu energii ultradźwięków, inwersji faz, a także wykorzystując mieszanie mechaniczne czy emulgowanie wysokociśnieniowe.
Homogenizator ultradźwiękowy
Sonifikator swoje działanie opiera na zjawisku kawitacji, które wywołuje fala ultradźwiękowa. Kawitacja wpływa na dezintegrację struktur komórkowych. Zjawisko to polega na wytwarzaniu i nagłym zanikaniu pęcherzyków gazu w cieczach w towarzystwie zmiany ciśnienia i temperatury. Energia ultradźwiękowa generuje siły ścinające, zamienia energię elektryczną na mechaniczną. Homogenizator ultradźwiękowy z dużą częstotliwością wprawia w ruch tytanową końcówkę, która jest zanurzona w cieczy. Szybki ruch końcówki powoduje to, że płyn za nią nie nadąża i pojawiają się pęcherzyki próżniowe.
Homogenizator ultradźwiękowy stosowany jest zarówno w laboratorium jak i w produkcji przemysłowej. Dzięki jego użyciu emulsje mają wyższą stabilność i dobre właściwości reologiczne.
Mieszanie mechaniczne wysokoobrotowe
Mieszanie i homogenizacja w tym przypadku odbywają się w homogenizatorze typu rotor – stator. Ciecz ulega działaniu sił tnących w wyniku przeciskania jej przez szczeliny układu.
Ten rodzaj homogenizatora wyposażony jest w mieszadło kotwicowe ze skrobakami, wspomagane łamaczami fal. Zarówno na kotwicy jak i łamaczach montuje się blachy kierunkowe z odpowiednio dobranymi do substancji mieszanej otworami przelotowymi. Mieszadło odpowiada za prawidłowe rozprowadzenie między sobą substratów oraz za efektywną wymianę termiczną.
By wytworzyć mieszaninę wysokiej klasy o odpowiednich właściwościach reologicznych i fizykochemicznych pionowo w dennicy dolnej zbiornika umieszcza się homogenizator. Dzięki zewnętrznej instalacji możliwa jest ciągła cyrkulacja mieszanej substancji między homogenizatorem a wnętrzem zbiornika.
Homogenizator wysokociśnieniowy
Jest to kolejny rodzaj urządzenia, które umożliwia powstanie stabilnego układu emulsyjnego.
Homogenizator wysokociśnieniowy składa się z dwóch podstawowych elementów – pompy tłokowej i zaworu homogenizującego.
Substancje, które mają ulec dokładnemu wymieszaniu pod wpływem wysokiego ciśnienia przetłaczane są przez szczelinę w głowicy zaworu. Szczelina jest tym węższa im ciśnienie pracy homogenizatora jest wyższe. W wyniku wysokiej energii cząstek podczas przetłaczania następuje ich eksplozja gdy zostaną rozprężone. Cały proces powoduje bardzo duże rozdrobnienie cząstek czyli otrzymanie jednorodnego produktu.
Oprzyrządowanie
Mieszalnik homogenizujący to zbiornik wykonany ze stali nierdzewnej, by emulsja nie wchodziła w reakcję z blachą. Dla prowadzenia efektywniejszego procesu homogenizacji stosuje się płaszcz grzewczy lub chłodzący.
Niektóre emulsje wymagają dostarczenia ciepła by ułatwić proces. Istotne jest również dodanie odpowiedniego emulgatora.
Ważnym elementem oprzyrządowania są czujniki pomiarowe np. czujnik temperatury lub ciśnienia. Pozwalają one na kontrolę pracy urządzenia i kontrolę samego produktu. Homogenizator może być wyposażony w automatykę, która za pomocą skrzyni sterowniczej z odpowiednim oprogramowaniem pozwoli na zarządzanie pracą mieszadła np. regulację szybkości obrotów, obroty prawo-lewo, a także odczyty z czujników pomiarowych i sterowanie np. temperaturą.
