Często do prawidłowego przebiegu procesu produkcyjnego lub analizy laboratoryjnej konieczne jest odpowiednie przygotowanie próbek czy surowców, a także staranne ich rozdrobnienie i wymieszanie. Jednym z podstawowych procesów pozwalających na uzyskanie jednolitej konsystencji materiału jest jego homogenizacja. Procesowi temu mogą zostać poddane wszelkiego rodzaju materiały, zarówno stałe, jak i płynne oraz ich mieszaniny. Poniżej więcej na temat tego procesu.
Homogenizacja
Jest to proces polegający na połączeniu różnych, niemieszających się w normalnych warunkach składników w celu uzyskaniu jednolitej mieszaniny. Wspomniana wyżej definicja nie wyczerpuje jednak w pełni istoty zjawiska homogenizacji, ponieważ w wielu przypadkach mianem tym określane jest też rozdrabnianie materiałów, aż do uzyskania jednolitej ich konsystencji. Ta druga sytuacja ma miejsce szczególnie często w laboratoriach, gdzie właściwa analiza musi być poprzedzona starannym rozdrobnieniem materiału, pozwalając m.in. na pozyskanie związków znajdujących się w badanej próbce. Do homogenizacji wykorzystywane są różnego rodzaju urządzenia. Ich podstawowe kategorie to:
-
homogenizatory mechaniczne (statorowo-rotorowe)
-
młyny nożowe (miksery/blendery)
-
homogenizatory (młyny) kulkowe
-
homogenizatory łopatkowe (stomachery)
-
homogenizatory ultradźwiękowe (sonikatory)
-
homogenizatory ciśnieniowe
Dwie pierwsze kategorie wytwarzają homogenat na drodze bezpośredniego uszkodzenia struktur komórkowych za pomocą wirujących z bardzo dużą szybkością ostrzy. W trzecim typie praca wspomagana jest obecnością wykonanych z różnych materiałów, dobranych do rozdrabnianego produktu, kulek. W stomacherach umieszczona w specjalnej torebce próbka rozbijana jest rytmicznymi ruchani łopatek o ścianę urządzenia, a efektywność procesu dodatkowo wspomaga dodatek sterylnego, ostrego piasku kwarcowego. Sonikatory swoje działanie zawdzięczają działaniu fal ultradźwiękowych o dużej mocy i małej częstotliwości, wahającej się od 20 kHz do 100 kHz. Fale dźwiękowe wywołują powstawanie i rozpad pęcherzyków parowo – gazowych w cieczy i zmiany ciśnienia przy zachowaniu stałej temperatury. W homogenizatorach ciśnieniowych zawiesina komórek poddawana jest bardzo wysokiemu ciśnieniu w czasie przejścia przez szczelinę i gwałtownemu rozprężeniu po jej opuszczeniu.
Prowadząc proces rozdrabniania materiału biologicznego, często konieczne jest zachowanie obniżonej temperatury procesu w celu zmniejszenia aktywności enzymów wewnątrzkomórkowych. By w czasie izolacji nie doszło do uszkodzenia organelli komórkowych, konieczne jest użycie roztworu izotonicznego w trakcie procesu. Z kolei, gdy chce się uzyskać pewne związki organiczne, trzeba zastosować odpowiedni bufor jako ciecz roboczą. Sam proces rozdrabniania jest odmienny dla wszystkich, wymienionych wyżej grup urządzeń. Uzyskany w wyniku homogenizacji płyn można dalej rozdzielić na wirówce lub sedymentacyjnie, a uzyskane produkty poddać dalszej analizie.
Zastosowanie homogenizacji
Homogenizacja znajduje zastosowanie w szerokiej gamie działalności. W przemyśle wykorzystywana jest do produkcji produktów w formie cieczy, past, kremów, gęstych cieczy, emulsji, zawiesin czy żelów. Zapobiega ona samorzutnemu rozdzielaniu się faz w ciekłych układach niejednorodnych, składających się z dwóch materiałów różniących się właściwościami fizykochemicznymi, przez co zwiększa stabilność produktów ciekłych, które mają skłonności do rozwarstwiania się. W ten sposób wytwarzane są liczne produkty żywnościowe, leki i suplementy diety, kosmetyki, środki czystości, farby, tworzywa sztuczne, smary, a także środki ochrony roślin.
Proces, z którego produktem finalnym można się najczęściej spotkać w życiu codziennym to homogenizacja mleka, prowadzona metodą ciśnieniową, w czasie której kulki tłuszczu mlecznego ulegają znacznemu rozdrobnieniu i równomiernemu rozprowadzeniu w mleku. Ponadto zawarte w mleku komórki mikroorganizmów ulegają dezintegracji. Ujednolicenie struktury produktu finalnego zwiększa jego trwałość i niezmienność parametrów jakościowych. Podobnie wytwarzane są śmietany, mleka zagęszczone oraz lody i desery mleczne. Homogenizacja ciśnieniowa wykorzystywana jest też m.in. do produkcji kosmetyków w formie emulsji, poprawiając ich konsystencję i zwiększając trwałość. W przemyśle homogenizacja produktów o wysokiej zawartości tłuszczy jest często prowadzona dwuetapowo.
Z kolei homogenizacja polegająca na rozdrabnianiu próbek stosowana jest szczególnie często w laboratoriach analitycznych. To tutaj zastosowanie znajdują wspomniane powyżej rodzaje homogenizatorów. Za ich pomocą można rozdrabniać świeże lub wysuszone tkanki roślinne i zwierzęce, czy rozbijać komórki mikroorganizmów w celu uwolnienia z nich różnych substancji. Młyny kulkowe ponadto są wykorzystywane do rozdrabniania różnego rodzaju materiałów, takich jak np. skały, twarde materiały organiczne (kości, zęby) na sucho, bez udziału roztworu roboczego.
Jak widać, homogenizacja jest procesem szeroko stosowanym zarówno na skalę przemysłową, jak i w laboratoriach.
