Die Herstellung von Emulsionen mittels Ultraschallkavitation

Eine große Bandbreite an Zwischen- und Endprodukten, wie sie beispielsweise in Kosmetika, Cremes, pharmazeutischen Salben, Lacken, Farben, Gleitstoffen und Kraftstoffen verwendet werden, bestehen komplett oder teilweise aus Emulsionen. Hielscher stellt die weltweit größten Ultraschallflüssigkeitsprozessoren für das effiziente Emulgieren großer Volumina (im Durchfluss) in Produktionsstätten her.

Im Labor ist die Ultraschallleistung beim Emulgieren seit langem bekannt und wird erfolgreich eingesetzt. Das Video auf der rechten Seite (Klicken Sie hier für eine größere Ansicht des Videos) zeigt das Emulgieren von Öl (gelb) in Wasser (rot). Hierzu wird das UP400S Laborgerät verwendet.

Systeme, die aus mehreren Ultraschallprozessoren von bis zu je 16.000 Watt bestehen, stellen die benötigte Kapazität bereit, um diese Laboranwendung in eine effiziente Produktionsmethode umzusetzen. Diese geballte Ultraschallleistung ermöglicht es, auch bei großen Volumina fein dispergierte Emulsionen sowohl bei einer Beschallung im Durchfluss wie auch im Batch zu erhalten. Die Qualität der Ultraschallemulsionen ist vergleichbar mit den Ergebnissen, die mit den besten Hochdruckhomogenisatoren, wie z. B. den neuen Blendenventilen, erzielt werden. Zusätzlich zu ihrer hohen Effizienz beim kontinuierlichen Emulgieren, erfordern Hielscher Ultraschallgeräte eine sehr geringe Maschinenunterhaltung und sind sehr leicht zu bedienen und reinigen. Der Ultraschall unterstützt sogar das Reinigen und Spülen. Die Ultraschallleistung ist regulierbar und kann an bestimmte Stoffe und Emulgieranforderungen angepasst werden. Ebenfalls sind spezielle Durchflussreaktoren, die mit dem hochentwickelten CIP (clean-in-place) und SIP (sterilize-in-place) ausgestattet sind, für besondere Ansprüche erhältlich.

Bei Emulsionen handelt es sich um Dispersionen aus zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten. Äußerst intensiver Ultraschall liefert die Energie, die benötigt wird, um eine flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleine Tropfen in einer zweiten Phase (beständige Phase) zu dispergieren. In diesem Beschallungsfeld verursachen implodierende Kavitationsblasen intensive Schockwellen in der Flüssigkeit und erzeugen als Konsequenz Flüssigkeitsstrahlen von sehr hoher Geschwindigkeit.

Um die neu entstandenen Tropfen der dispergierten Phase gegen die Koaleszenz zu stabilisieren, werden der Emulsion Emulgatoren (oberflächenaktive Stoffe) und Stabilisatoren zugesetzt. Da die Koaleszenz der Tropfen nach der Spaltung deren endgültige Tropfengrößenverteilung beeinflusst, werden vor allem stabilisierende Emulgatoren verwendet. Durch den Einsatz stabilisierender Emulgatoren wird eine endgültige Tropfengrößenverteilung auf einer Ebene erzielt, die der Verteilung unmittelbar nach der Tropfenspaltung im Beschallungsfeld entspricht. Die Stabilisatoren führen sogar zu einer erhöhten Tropfenspaltung bei konstanter Energiedichte.

Studien zu Öl-in-Wasser-Emulsionen (Wasser-Phase) und zu Wasser-in-Öl-Emulsionen (Öl-Phase) haben die Korrelation zwischen Energiedichte und der Tropfengröße (z. B. Sauter-Durchmesser) gezeigt. Es ist eine klare Tendenz zu einer kleineren Tropfengröße bei einer ansteigenden Energiedichte erkennbar (Klicken Sie auf die obere Grafik). Bei einer entsprechenden Energiedichte kann mit Ultraschall eine Tropfengröße von deutlich weniger als 1 Mikrometern (Mikroemulsion) erreichen werden.

Hielscher bietet eine vielfältige Kollektion an Ultraschallgeräten und Zubehör für das effiziente Emulgieren und Dispergieren von Flüssigkeiten an.

Labor-Ultraschallgeräte von bis zu 400 Watt Leistung eignen sich ideal für die einfache Herstellung der Emulsionen in Teströhrchen, Eppendorfgefäßen, Bechergläsern oder Durchflusszellen. Diese Geräte werden hauptsächlich zur Probenvorbereitung oder bei anfänglichen Machbarkeitsstudien eingesetzt und werden von Hielscher Ultrasonics auch vermietet.
Mit 500, 1000 und 2000 Watt-Ultraschallprozessoren, wie z.B. mit dem UIP1000hd Set mit Durchflusszelle und verschiedenen Boostern und Sonotroden, können größere Volumina im Durchfluss emulgiert werden. Diese Geräte werden bei der Optimierung von Parametern (wie Amplitude, Betriebsdruck, Durchflussrate etc.) im Technikums-Maßstab oder im Pilotprojekt auf Werksgröße verwendet.
Industrie-Ultraschallprozessoren mit 2, 4, 10 und 16kW ebenso wie größere Cluster, bestehend aus mehreren solcher Einheiten, können Produktionsvolumina (fast) jeder Kapazität bewältigen.

Literatur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.

Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS'05.

Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.