Мешалки

В химическом и биологическом эксперименте, а также в производственных процессах необходимо перемешивание, которое решает ряд задач, в том числе позволяет:

• получить однородную смесь компонентов в жидком или вязком состоянии (эмульсию, суспензию, гель, пасту и т.д.);
• получить смесь сухих (сыпучих) веществ, в каждой порции которых содержатся компоненты в соотношении, в котором они были взяты изначально для приготовления смеси;
• ускорить растворение твердых компонентов в жидкости;
• ускорить теплообмен и массообмен в аппаратах в химическом синтезе и биотехнологиях;
• улучшить контакт между фазами при проведении химических реакций между твердым веществом и жидкостью, газом и жидкостью или несмешивающимися жидкостями: в ряде случаев перемешивание является неотъемлемым условием протекания такой реакции.

Перемешивание можно проводить вручную, но автоматизация процесса существенно сокращает неэффективное использование рабочего времени, а также позволяет стандартизировать параметры, нужным образом настроив интенсивность, амплитуду и другие характеристики процесса в соответствии с условиями и свойствами среды и ограничениями, которые они накладывают (например, при работе с культурами живых клеток).

В зависимости от объема смеси, ее агрегатного состояния, требований к температуре и другим параметрам процесса выбирают разное аппаратное обеспечение перемешивания.

Верхнеприводные мешалки

Верхнеприводные мешалки — традиционно используемые и наиболее популярные устройства для перемешивания. Механическая энергия в такой мешалке передается от электропривода через вращающийся вал к перемешивающему элементу, выбор формы и материала которого определяется характеристиками среды и процесса. Существенно, что электродвигатель и крепления вала, на котором располагается насадка, не подвергаются воздействию компонентов смесей: с ее компонентами контактирует только перемешивающая насадка.

Обычно эти устройства используют при выполнении задач, в которых не нужна высокая точность, при работе с большими объемами (до 100 л и даже до 200 литров по воде) и/или вязкими средами. При выборе мешалки нужно учитывать, на какой объем она рассчитана, какую максимальную скорость развивает и какова потребляемая мощность электродвигателя.

Ограничение такого метода перемешивания — невозможность его применения в плотно и тем более герметично закрытых сосудах и работы с очень малыми объемами.

Магнитные мешалки

Диспергаторы (гомогенизаторы) типа «ротор-статор» действуют подобно верхнеприводным мешалкам, обеспечивая гомогенизацию смесей веществ с различной вязкостью для получения эмульсий и суспензий.

Работа магнитных мешалок, используемых для более тонких и точных задач, построена на принципе отталкивания магнитов с одноименными полюсами. Электродвигатель такой мешалки имеет на своем валу один или несколько магнитов, которые приводятся в движение и заставляют двигаться магнитный якорь, помещаемый в сосуд со смесью. Сосуд должен быть плоскодонным или устанавливаться на горизонтальную рабочую поверхность со специальным адаптером. Магнитный якорь — единственная часть мешалки, контактирующая с перемешиваемой средой — заключается в инертную оболочку (из стекла, тефлона или пластика) и может иметь разные формы. Вращаясь, якорь создает в жидкости «бурю в стакане» и перемешивает вещества с помощью таких завихрений.

Традиционно считается, что магнитные мешалки применимы для малых объемов, но на рынке доступны промышленные модели, рассчитанные на объемы до 300 л (по воде).

Такое устройство производит мало шума, компактно, его легко эксплуатировать, оно экономично в плане энергопотребления, позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать интенсивность перемешивания. Кроме того, отдельные модели таких мешалок могут включать подогрев реакционной смеси или встроенные весы.

Магнитные мешалки могут быть многоместными, что повышает эффективность работы и важно для задач, в которых нужно обеспечить одинаковые условия для серии экспериментов (сред, образцов).

Принцип работы магнитной мешалки позволяет работать с плотно и герметично закрытыми емкостями, что важно для обеспечения химической и микробиологической чистоты процесса, а также при обеспечении безопасности во время работы с летучими агрессивными компонентами.

Ограничения применения магнитных мешалок связаны с «поведением» якоря в вязких средах. Если процесс подразумевает повышение плотности и вязкости перемешиваемой жидкости в ходе реакции (например, при исследовании процессов полимеризации), в определенный момент якорь может замедлить движение или остановиться.

При выборе магнитной мешалки нужно учесть максимальный объем и обороты, на которые она рассчитана, количество мест и материал, из которого изготовлена платформа, особенно если предполагается работа с агрессивными средами, количество мест на платформе и наличие либо отсутствие нагрева. Кроме того, нужно уделить внимание максимальному размеру (длине) перемешивающего элемента (якоря).

Для работы с малыми объемами жидких смесей (от 0,5 мл и даже от 0,1 мл до 50 мл) используются лабораторные вортексы, в которых компоненты смесей с низкой вязкостью перемешиваются за счет создания вихря из жидкости в реакционном сосуде. Прибор работает аналогично центрифуге, но на меньших оборотах, обеспечивая за счет орбитального вращения не только гомогенизацию, но и разделение, в частности отмывку клеточных культур от питательной среды после культивации.

Разные модели вортексов позволяют работать с одиночными пробирками или с их большим количеством, а также с лабораторными планшетами различных форматов, обеспечивая их содержимому плавное, интенсивное или импульсное перемешивание.

Похожую задачу для таких же объемов, но с использованием вращения, покачивания и встряхивания, реализуют ротационные перемешиватели, широко применяемые при работе с биологическими жидкостями и культурами клеток. Простейшие лабораторные шейкеры осуществляют перемешивание жидких смесей с применением разных типов движения: качания, вращения, вибрации, встряхивания. Такие приборы работают с разными типами сосудов — от пробирок Eppendorf емкостью менее 1 мл до бутылей, колб и флаконов емкостью 5 л и больше. Количество рабочих мест и дополнительные функции шейкеров в зависимости от моделей различаются.

Ни одна часть вортекса, ротационного перемешивателя и шейкера не контактирует с компонентами смеси, что важно для снижения риска кросс-контаминации во время эксперимента и для безопасной эксплуатации самих приборов.

Среди устройств, позволяющих перемешивать твердые компоненты (в порошкообразных смесях), следует выделить стационарные и погружные блендеры, которые измельчают и перемешивают сухие материалы с твердостью до 5 по шкале Мооса (не тверже апатита).

Кроме того, узкоспециализированные устройства для диспергирования, гомогенизации и перемешивания (смешения) различных компонентов — как жидких, так и твердых, в том числе в закрытой таре — можно найти в разделе «Оборудование для лабораторного производства таблеток, капсул, кремов, мазей, паст».