การผสมแรงเฉือนสูง: วิธีการทำงาน ประเภท และวิธีการเลือกมิกเซอร์ที่เหมาะสม

คุณอาจเคยเห็นผลิตภัณฑ์จำนวนมากล้มเหลวด้วยเหตุผลที่ยากจะอธิบาย เช่น โลชั่นที่แยกตัวออกหลังจากผ่านไปหนึ่งสัปดาห์ ซอสที่เปลี่ยนเป็นน้ำ หรือเม็ดสีที่มีการจับตัวเป็นก้อนละเอียดซึ่งไม่สามารถกวนได้ในปริมาณมาก ประเด็นทั่วไปก็คือเครื่องกวนแบบธรรมดาไม่สร้างแรงเฉือนเพียงพอที่จะควบคุมขนาดหยด การกระจายตัว หรือการกระจายตัวของอนุภาค การผสมเฉือนสูงจะปิดช่องว่างนั้นโดยใช้หัวโรเตอร์-สเตเตอร์เพื่อใช้แรงเชิงกลที่รุนแรงในเวลาอันสั้น ทำให้เกิดอิมัลชัน สารแขวนลอย และการกระจายตัวที่ละเอียดที่เสถียร ซึ่งกระบวนการอาหาร เครื่องดื่ม เครื่องสำอาง ยา และเคมีจำนวนมากต้องพึ่งพา

คู่มือนี้จะอธิบายว่าการผสมแรงเฉือนสูงคืออะไร หลักการทำงานของโรเตอร์-สเตเตอร์ มีการกำหนดค่าใดบ้าง และสิ่งที่คุณควรตรวจสอบก่อนซื้อเครื่องผสมแรงเฉือนสูง หากคุณกำลังประเมินอุปกรณ์สำหรับสายการผลิตใหม่หรือแก้ไขปัญหาที่มีอยู่ ข้อสรุปแรกนั้นง่ายมาก: เครื่องผสมแรงเฉือนสูงที่เหมาะสมจะให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้เฉพาะเมื่อเหมาะสมกับความหนืด ปริมาณของแข็ง และคุณภาพเป้าหมายของคุณเท่านั้น

การผสมแรงเฉือนสูงคืออะไร?

การผสมแรงเฉือนสูงเป็นกระบวนการทางกลที่ใช้โรเตอร์หมุนด้วยความเร็วสูงภายในสเตเตอร์ที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดเพื่อสร้างแรงเฉือนที่แข็งแกร่ง แรงเหล่านั้นสลายหยดหรือจับเป็นก้อน ดึงผงให้เป็นของเหลว และสร้างส่วนผสมที่สม่ำเสมอโดยมีเนื้อสัมผัสที่ละเอียดกว่าการกวนแบบทั่วไปมาก ผลลัพธ์มักเรียกว่าอิมัลชัน (ของเหลวในของเหลว) สารแขวนลอย (ของแข็งในของเหลว) หรือการกระจายตัว (อนุภาคละเอียดกระจายเท่าๆ กัน)

ในทางปฏิบัติ การผสมแรงเฉือนสูงจะใช้เมื่อคุณต้องการ:

• อิมัลชันที่มีความเสถียรโดยมีขนาดหยดในช่วงไมโครเมตร
• การทำให้ผงเปียกและกระจายตัวโดยไม่มีตาปลาหรือเป็นก้อน
• การแยกตัวของอนุภาคและการลดขนาดสำหรับสี หมึก และเพสต์เคมี
• การเตรียมผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาหรือมีความหนืดอย่างรวดเร็ว เช่น กาว ครีม และขี้ผึ้งยา

หากคุณยังไม่แน่ใจว่าใบสมัครของคุณต้องการแรงเฉือนสูงจริงๆ หรือไม่ ขอแนะนำให้ตรวจสอบ พื้นฐานการออกแบบถังผสม ประการแรกเนื่องจากโครงร่างของภาชนะสามารถมีอิทธิพลต่อการทำงานของเครื่องผสมได้

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงทำงานอย่างไร

เครื่องผสมแบบแรงเฉือนสูงทั้งหมดมีหลักการแกนเดียวกัน นั่นคือโรเตอร์ที่มีฟันตัดเฉือนอย่างแม่นยำจะหมุนด้วยความเร็วสูงภายในสเตเตอร์ที่อยู่นิ่ง ผลิตภัณฑ์ถูกดึงเข้าไปในโรเตอร์และบังคับผ่านช่องเปิดของสเตเตอร์ ซึ่งต้องเผชิญกับแรงเฉือนทางกลและไฮดรอลิกที่รุนแรง

โซนแรงเฉือนของโรเตอร์-สเตเตอร์

ช่องว่างระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์มีขนาดเล็ก โดยทั่วไปประมาณ 0.5 มม. ถึง 3 มม. ขึ้นอยู่กับรุ่น ขณะที่โรเตอร์หมุน ของไหลจะเร่งความเร็วในช่องว่างและถูกขับออกด้วยความเร็วสูง ความเร่งนั้นจะสร้างอัตราเฉือนที่ควบคุมการแยกย่อยหยดหรืออนุภาคอย่างละเอียด

ความเร็วปลายเทียบกับอัตราเฉือน

ความเร็วปลายคือความเร็วเชิงเส้นที่ขอบด้านนอกของโรเตอร์ เป็นตัวเลขที่มีความหมายมากกว่าจำนวนรอบต่อนาที (RPM) เนื่องจากคำนึงถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ โรเตอร์ขนาดใหญ่ที่ RPM ต่ำกว่าสามารถสร้างความเร็วปลายทิปได้เท่ากับโรเตอร์ขนาดเล็กที่ RPM สูงกว่า อัตราแรงเฉือนประมาณโดยการหารความเร็วของปลายด้วยความกว้างของช่องว่าง ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการออกแบบช่องว่างหรือโรเตอร์จึงสามารถเปลี่ยนแปลงผลการผสมได้อย่างมาก

ตารางให้เฉพาะแนวคิดตามลำดับความสำคัญเท่านั้น ค่าจริงจะต้องถูกกำหนดโดยการทดสอบกระบวนการ ไม่ใช่โดยเส้นโค้งทั่วไป

ประเภทของเครื่องผสมแรงเฉือนสูง: ในถัง อินไลน์ และสุญญากาศ

ไม่มีเครื่องผสมแรงเฉือนสูงตัวเดียวที่เหมาะกับผลิตภัณฑ์ทั้งหมด การสะสมที่พบบ่อยที่สุดสามประการคือเครื่องผสมแบบแบตช์ในถัง เครื่องผสมแบบอินไลน์ และระบบผสมสุญญากาศ

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงในถัง

เครื่องผสมในถังติดตั้งอยู่ด้านบนของถังกระบวนการ ไม่ว่าจะโดยตรงหรือผ่านโครงรองรับ โดยจะหมุนเวียนของเหลวภายในถังผ่านหัวโรเตอร์-สเตเตอร์จนกว่าจะได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ นี่คือการกำหนดค่าที่ยืดหยุ่นสำหรับขนาดแบทช์ขนาดเล็กถึงขนาดกลาง การเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์บ่อยครั้ง และสูตรอาหารที่ได้รับประโยชน์จากเวลาผสมที่ยาวนานขึ้น

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงแบบอินไลน์

เครื่องผสมแบบอินไลน์ทำงานเหมือนกับเครื่องสูบน้ำหรือเครื่องต่อเนื่อง ผลิตภัณฑ์จะเข้าสู่ด้านหนึ่งของห้องผสมและออกจากอีกด้านหนึ่งหลังจากผ่านครั้งเดียวหรือตามจำนวนรอบที่ควบคุมได้ การกำหนดค่าแบบอินไลน์นั้นง่ายต่อการรวมเข้ากับกระบวนการต่อเนื่อง และมักจะให้ผลลัพธ์ที่สามารถทำซ้ำได้มากกว่า เนื่องจากเวลาคงตัวสั้นและคงที่

ถังผสมและอิมัลซิไฟเออร์สุญญากาศ

ถังผสมสูญญากาศรวมการผสมแรงเฉือนสูงเข้ากับเครื่องดูดควันสุญญากาศ และในหลายการออกแบบ มีเครื่องกวนแบบขูด สุญญากาศจะไล่อากาศออกจากผลิตภัณฑ์ ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับครีมที่ข้น ขี้ผึ้ง สารละลายแบตเตอรี่ และกาวขจัดอากาศแบบสุญญากาศ หากผลิตภัณฑ์ของคุณต้องไม่มีฟองอากาศที่มองเห็นได้ ถังอิมัลชันสุญญากาศมักจะเป็นตัวเลือกที่ปลอดภัยกว่า

• เลือกเครื่องผสมในถังเมื่อขนาดชุดแตกต่างกันและสูตรอาหารต้องใช้เวลาในการผสมที่ยืดหยุ่น
• เลือกเครื่องผสมแบบอินไลน์สำหรับการผลิตต่อเนื่องหรือเมื่อผลลัพธ์แบบผ่านครั้งเดียวที่รวดเร็วเพียงพอ
• เลือกระบบสุญญากาศเมื่อต้องคำนึงถึงการกักเก็บอากาศ โฟม หรือความเสถียรในระยะยาว

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงเทียบกับเครื่องกระจาย, โฮโมจีไนเซอร์ และโรงสีคอลลอยด์

การผสมแรงเฉือนสูงมักสับสนกับเครื่องผสมอื่นๆ ที่ผลิตอนุภาคละเอียด ความแตกต่างมีความสำคัญเนื่องจากแต่ละเทคโนโลยีมีต้นทุนการดำเนินงานและผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน

ในทางปฏิบัติ เครื่องผสมแบบแรงเฉือนสูงมักจะเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการที่ใช้โฮโมจีไนเซอร์หรือโรงสีเพื่อการปรับแต่งขั้นสุดท้ายด้วย อย่างไรก็ตาม สำหรับผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวหลายชนิด เครื่องผสมโรเตอร์-สเตเตอร์ที่ออกแบบมาอย่างดีเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอที่จะตอบสนองข้อกำหนดเฉพาะได้

ในกรณีที่ใช้การผสมแรงเฉือนสูงในการผลิต

การผสมด้วยแรงเฉือนสูงจะปรากฏในหลายอุตสาหกรรม โดยทั่วไปทุกที่ที่สูตรผสมทำได้ยากกว่าการกวนให้เข้ากัน ตารางด้านล่างสรุปกลุ่มการใช้งานหลัก

ตัวอย่างเช่น ถังอิมัลซิไฟเออร์โรเตอร์-สเตเตอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานเครื่องสำอางและอาหารเพื่อนำเฟสน้ำมันและน้ำมารวมกันเป็นอิมัลชันที่เสถียร ในโรงงานเคมี หลักการเดียวกันนี้ในการเตรียมเม็ดสีและสารทำความสะอาด ข้อกำหนดทั่วไปคือระดับแรงเฉือนแบบควบคุมซึ่งเครื่องกวนธรรมดาไม่สามารถส่งได้

วิธีการเลือกเครื่องผสมแรงเฉือนสูงที่เหมาะสม

ก่อนที่คุณจะขอใบเสนอราคา ให้กำหนดกระบวนการของคุณเป็นตัวเลข เครื่องจักรที่ถูกที่สุดมักไม่ค่อยประหยัดที่สุดเมื่อไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านขนาดอนุภาคหรือรอบเวลาได้

เริ่มต้นด้วยพารามิเตอร์กระบวนการเหล่านี้

• ความหนืดของเฟสต่อเนื่องและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
• ปริมาณของแข็งและขนาดอนุภาคก่อนและหลังการผสม
• ขนาดแบทช์และรอบเวลาที่ต้องการ
• อุณหภูมิในการทำงานและความไวต่อความร้อน
• กำหนดเป้าหมายขนาดหยดหรืออนุภาคด้วยขีดจำกัดเชิงปริมาณ
• วิธีทำความสะอาด: CIP หรือการซักด้วยมือ

การออกแบบสุขาภิบาลและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

สำหรับผลิตภัณฑ์อาหาร ผลิตภัณฑ์นม เครื่องสำอาง และยา เครื่องผสมควรสร้างด้วยส่วนสัมผัส SS316L การขัดเงา และไม่มีจุดบอดที่ผลิตภัณฑ์อาจสะสมได้ สายการผลิต GMP ยังต้องมีเอกสารรับรองการตกแต่งพื้นผิวและใบรับรองวัสดุอีกด้วย เครื่องผสมที่ทำความสะอาดยากจะส่งผลต่อความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ในที่สุด ไม่ว่าประสิทธิภาพการผสมจะดูดีเพียงใดในห้องปฏิบัติการก็ตาม

ถังผสมสุญญากาศปลอดเชื้อพร้อมเครื่องกวน Anchor Scraper ถังนี้ทำงานภายใต้สุญญากาศลึกเพื่อขจัดฟองอากาศออกจากขี้ผึ้งและครีม ในขณะที่ที่ขูดสมอช่วยให้ถ่ายเทความร้อนได้เต็มที่และป้องกันการไหม้ การออกแบบที่ถูกสุขลักษณะโดยไม่มีจุดบอดรองรับการปฏิบัติตามมาตรฐาน GMP และทำความสะอาดง่ายสำหรับผลิตภัณฑ์ปลอดเชื้อ ดูผลิตภัณฑ์ →

การรวมการผสมแรงเฉือนสูงเข้ากับสายการผลิตที่สมบูรณ์

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงไม่ได้ทำงานเพียงลำพัง ในสายการผลิตเครื่องดื่มหรือผลิตภัณฑ์นมทั่วไป ถังแรงเฉือนสูงทำงานร่วมกับถังเก็บ ถังทำความร้อน/ทำความเย็น ระบบ CIP และเครื่องพาสเจอร์ไรส์ การทำความเข้าใจวิธีการควบคุมและทำความสะอาดเครื่องผสมเป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสายการผลิตเป็นแบบอัตโนมัติ

สำหรับการผลิตเม็ดสีและสารเคมี การจัดการจะง่ายกว่า: ถังแรงเฉือนสูงที่ให้ความร้อนหรือความเย็นสามารถทดแทนอุปกรณ์รุ่นเก่าได้หลายชิ้น การออกแบบแบบติดตั้งลื่นไถลหรือแบบถังช่วยลดเวลาในการติดตั้งและทำให้กระบวนการตรวจสอบง่ายขึ้น

เครื่องผสมแรงเฉือนสูงอุตสาหกรรมสำหรับการบดเม็ดสีและการบดสี ออกแบบมาเพื่อการกระจายตัวของเนื้อหาที่มีของแข็งสูง เครื่องผสมนี้ใช้แผ่นกระจายตัวแบบซี่ฟันเพื่อแยกเม็ดสีที่เกาะกลุ่มกันเพื่อให้ได้สีที่สม่ำเสมอ โลหะผสมที่ทนทานต่อการสึกหรอและมาตรฐานป้องกันอดีตทำให้เหมาะสำหรับการเคลือบที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและชุดสารเคมี ช่วยลดความต้องการอุปกรณ์ ดูผลิตภัณฑ์ →

การผสมแรงเฉือนสูงไม่ใช่อุปกรณ์ชิ้นเดียว มันเป็นการตัดสินใจตามกระบวนการ เริ่มต้นด้วยข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ ยืนยันขนาดหยดหรืออนุภาคที่ต้องการ จากนั้นเลือกถังหรือการกำหนดค่าแบบอินไลน์ที่ตรงกับการทำงานของแบทช์ของคุณ ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือที่สุดมาจากการทดสอบสูตรจริงของคุณกับรูปทรงของเครื่องจักรจริง ไม่ใช่จากการเปรียบเทียบกำลังมอเตอร์เพียงอย่างเดียว

หากคุณกำลังวางแผนสายการผลิตใหม่หรืออัพเกรดสายการผลิตที่มีอยู่ ควรปรึกษากระบวนการทั้งหมดกับผู้ผลิตอุปกรณ์ที่สามารถจัดหาถัง เครื่องผสม และระบบควบคุมรอบตัว ติดต่อเรา ด้วยพารามิเตอร์กระบวนการของคุณ และเราสามารถช่วยคุณกำหนดวิธีแก้ปัญหาแรงเฉือนสูงที่ใช้งานได้จริง