Диспергаторы
Диспергаторы
Диспергация – это измельчение частиц твердых или жидких веществ до образования дисперсных систем (суспензий, порошков, эмульсий). Диспергаторы — это непосредственно устройство, позволяющее получать продукт из системы двух и более веществ посредством перемалывания частиц компонентов до однородной смеси.
Устройства различаются по принципу работы и бывают ультразвуковыми, плунжерными (диспергаторами высокого давления) и роторно-статорными.
Ультразвуковые диспергаторы работают посредством воздействия ультразвука на твердые вещества. При такой обработке суспензии и эмульсии получаются высококачественными и высокодисперсными по сравнению с методами механического измельчения.
Диспергаторы высокого давления работают посредством продавливания смеси под высоким давлением через отверстия небольшого размера плунжерными насосами.
Диспергатор с системой ротор-статор позволяют измельчать субстанции за счёт механического воздействия. Выделяют два вида таких диспергаторов — погружные и проточные. Погружные диспергаторы ротор-статор применяются, как правило, в лабораториях, а проточные во многих отраслях промышленности.
Использование данного оборудования сегодня очень обширно. Его применяют в пищевой, химической и нефтеперерабатывающей промышленностях, в области фармакологии, косметологии и парфюмерии, в сельском хозяйстве и т.п.
Вопрос/Ответ
Ультразвуковой диспергатор (зондовый ультразвуковой гомогенизатор, соникатор) — это прибор, преобразующий электрическую энергию в механические колебания ультразвуковой частоты (как правило, 20–40 кГц) с помощью пьезоэлектрического преобразователя, которые передаются на металлический зонд (сонотрод), погружаемый непосредственно в обрабатываемую жидкость. Колебания зонда с амплитудой 10–200 мкм вызывают явление акустической кавитации — образование и мгновенное схлопывание миллионов микроскопических пузырьков в жидкости, генерируя локальные импульсы давления до 1000 атм, температуры до 5000°C и скорости микропотоков до 400 км/ч — именно эти явления обеспечивают разрушение клеток, диспергирование частиц и эмульгирование. Принципиальное отличие зондового ультразвукового гомогенизатора от ультразвуковой ванны состоит в прямом контакте зонда с образцом: плотность мощности в зоне кавитации у зонда в 100–1000 раз выше, чем в ультразвуковой ванне, что обеспечивает несравнимо более высокую эффективность разрушения клеток и диспергирования.
Разрушение клеток и экстракция внутриклеточных компонентов является наиболее распространённым применением — соникация эффективно лизирует бактерии, дрожжи, клетки млекопитающих и растительные ткани для выделения белков, нуклеиновых кислот, ферментов и других внутриклеточных молекул; эффективность лизиса для большинства клеточных типов при оптимальных параметрах составляет 80–99%. Диспергирование наночастиц, углеродных нанотрубок, графена и других наноматериалов в жидкостях является второй по важности областью применения — ультразвуковая обработка разрушает агломераты частиц и обеспечивает стабильные суспензии с узким распределением по размерам, недостижимые механическим перемешиванием. Дополнительные применения: эмульгирование несмешивающихся жидкостей (масло/вода, фармацевтические эмульсии), ускорение химических и фотохимических реакций (сонохимия), фрагментация хроматина ДНК для ChIP-анализа, дегазация растворителей, приготовление липосом и наноэмульсий для систем доставки лекарств.
Мощность ультразвукового диспергатора (100–3000 Вт номинальной мощности) и тип зонда выбираются прежде всего исходя из объёма обрабатываемого образца: микрозонды диаметром 2–3 мм предназначены для объёмов 0,1–10 мл, стандартные зонды диаметром 6–13 мм — для 1–250 мл, крупные зонды 19–25 мм — для 50–2000 мл и выше; использование зонда неподходящего диаметра для данного объёма приводит либо к недостаточной обработке (зонд слишком мал), либо к чрезмерному нагреву и разрушению зонда (зонд слишком велик для малого объёма). Амплитуда колебаний зонда (выражается в мкм или % от максимума) является более информативным рабочим параметром, чем номинальная мощность — для деликатных задач (фрагментация хроматина, обработка термолабильных образцов) используют амплитуду 20–40%, для интенсивного диспергирования и лизиса жёсткостенных клеток — 60–100%. При выборе между приборами разных производителей следует ориентироваться на реальную (delivered) акустическую мощность, вводимую в образец (измеряется калориметрическим методом), а не на потребляемую электрическую мощность генератора — КПД преобразования электрической мощности в акустическую у разных приборов составляет 50–85%.
Рабочая поверхность зонда (торец) подвергается интенсивному кавитационному износу — со временем на ней появляется характерная шероховатость («эрозия»), снижающая акустическую мощность, передаваемую в образец, и являющаяся источником металлических частиц (преимущественно титан), загрязняющих образец. Износ зонда оценивают визуально (потемнение и шероховатость торца) и функционально — сравнивают реальную акустическую мощность, вводимую в эталонный образец, с исходными значениями (калориметрический тест): снижение акустической мощности более чем на 20–30% от исходного уровня свидетельствует о необходимости замены или переточки зонда. Зонд необходимо тщательно промывать после каждого использования — остатки биологических образцов, солей и реагентов на поверхности зонда являются источником перекрёстной контаминации; для очистки зонд кратковременно соникируют в дистиллированной воде (3–5 циклов по 10 секунд), затем в 70% этаноле, и насухо вытирают — автоклавирование зондов из титанового сплава Ti-6Al-4V допустимо, но ускоряет коррозионный износ поверхности.
Зонд погружают в образец таким образом, чтобы его торец (рабочая поверхность) находился на глубине 5–15 мм от поверхности жидкости и не менее 5–10 мм от дна и стенок сосуда — слишком поверхностное расположение приводит к разбрызгиванию и аэрозолеобразованию, слишком глубокое или близкое к стенкам — к снижению кавитационной активности и неравномерной обработке. При обработке малых объёмов (менее 1 мл) в микропробирках 1,5–2,0 мл используют специальные микрозонды диаметром 2–3 мм или адаптеры для соникации в закрытых пробирках (cup horn, sonication bath adapter) — прямой контакт стандартного зонда с объёмом менее 0,5 мл неэффективен и приводит к быстрому нагреву образца. Сосуд с образцом не должен быть стеклянным при интенсивной обработке — вибрации зонда создают стоячие волны в жидкости, которые могут разрушить стеклянный сосуд; для соникации используют пластиковые (полипропиленовые) пробирки, а стеклянные сосуды применяют только при малой мощности и косвенной обработке через водяную баню.