الاستحلاب بالتجويف فوق الصوتي
تعتمد مجموعة واسعة من المنتجات الوسيطة والاستهلاكية – مثل مستحضرات التجميل، وغسولات البشرة، والمراهم الصيدلانية، والورنيش، والدهانات، ومواد التشحيم، والوقود – كليًا أو جزئيًا على المستحلبات.
تصنّع Hielscher أكبر معالجات السوائل الصناعية بالموجات فوق الصوتية في العالم لاستحلاب تدفقات كبيرة الحجم بكفاءة في منشآت الإنتاج.
كيف يعمل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
التطبيقات المختبرية: في البيئات المختبرية، تُعرف قدرة الموجات فوق الصوتية على الاستحلاب وتُستخدم منذ زمن طويل بفضل الفوائد المتعددة المرتبطة بالتجانس والاستحلاب بالموجات فوق الصوتية.
التقنية
يعتمد الاستحلاب الموثوق بالموجات فوق الصوتية على استخدام مسابير الموجات فوق الصوتية، المعروفة أيضًا باسم السونوترودات. وتعمل العملية على النحو التالي:
- اقتران الطاقة فوق الصوتية: تُقرن الموجات فوق الصوتية عالية الشدة بالسوائل عبر مسبار الموجات فوق الصوتية، مما يولّد التجويف الصوتي.
- تأثير التجويف: يولّد التجويف فوق الصوتي أو الصوتي قوى قص عالية توفّر الطاقة اللازمة لتفتيت القطرات الكبيرة إلى قطرات بحجم نانوي.
- تكوّن المستحلب: يُخلط طوران سائلان أو أكثر لتكوين مستحلب متجانس دون ميكروني أو نانوي.
التوسع إلى النطاق الصناعي باستخدام تقنية التدفق المستمر: يتيح استخدام خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية التوسع الخطي إلى الإنتاج الصناعي للمستحلبات النانوية، مع معالجة تدفقات كبيرة الحجم بالتدفق المستمر.
تحضير مستحلب نانوي صافٍ بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400ST.
مزايا الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
يوفّر الاستحلاب باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار عدة مزايا مقارنة بتقنيات الاستحلاب الأخرى:
- تحسين ثبات المستحلب: ينتج الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية قطرات أصغر وتوزيعًا أكثر تجانسًا للقطرات، مما يحسّن ثبات المستحلب ويطيل مدة صلاحيته. ويمكن إنتاج قطرات بأحجام دون ميكرونية ونانوية بصورة موثوقة باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة.
- كفاءة الطاقة: يتطلب الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية طاقة أقل من طرق الاستحلاب الأخرى، مما يجعله عملية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.
- قابلية التوسع: يمكن بسهولة زيادة نطاق الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية أو تقليصه تبعًا للحجم المطلوب، مما يجعله عملية متعددة الاستخدامات للتطبيقات المختبرية والصناعية على حد سواء.
- توفير الوقت: يمكن أن يكون الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية عملية سريعة جدًا، إذ تتكوّن المستحلبات خلال ثوانٍ إلى دقائق، تبعًا للسوائل والحجم والمعدات.
- تقليل الحاجة إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي: يمكن أن يقلّل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية الحاجة إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي، التي غالبًا ما تكون ضرورية لتثبيت المستحلبات. ومع ذلك، فإن تقليل حجم القطرة يزيد مساحة سطح الجسيم، ويستلزم تغطية مساحة أكبر بمادة خافضة للتوتر السطحي. تتوافق المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع جميع أنواع المواد الخافضة للتوتر السطحي تقريبًا، بما فيها عوامل الاستحلاب البديلة والجديدة.
- توليد ضئيل للحرارة وقابل للتحكم: الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية عملية غير حرارية، ويمكن تجنّب توليد الحرارة أثناء المعالجة أو خفضه إلى مستوى ضئيل. وبذلك ينخفض خطر التحلل الحراري للمركبات أو المكونات الحساسة.
تجعل مزايا الاستحلاب باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار هذه التقنية خيارًا ممتازًا للاستحلاب في مجالات متنوعة، منها الأغذية والمشروبات، والمستحضرات الصيدلانية، ومستحضرات التجميل، والمواد الكيميائية الدقيقة، والوقود.
اقرأ المزيد عن استحلاب المايونيز بالموجات فوق الصوتية!
اقرأ المزيد عن إنتاج مستحلبات شمع البارافين باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية!
اقرأ المزيد عن مستحلبات الماء في الديزل المنتَجة باستخدام الموجات فوق الصوتية!
يُظهر قياس DLS التوزيع المتجانس لأحجام القطرات في مستحلب زيت الورد في الماء المنتَج بالموجات فوق الصوتية.
ما هو المستحلب؟المستحلبات هي أنظمة تشتت لسائلين غير قابلين للامتزاج أو أكثر. توفّر الموجات فوق الصوتية عالية الشدة القدرة اللازمة لتشتيت طور سائل (الطور المشتت) على شكل قطرات صغيرة في طور ثانٍ (الطور المستمر). وفي منطقة التشتيت، يؤدي انهيار فقاعات التجويف إلى إحداث موجات صدمية شديدة في السائل المحيط، وينتج عنه تكوّن نفاثات سائلة ذات سرعة تدفق عالية.
المستحلبات النانوية – التطبيق القوي لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية
المستحلبات النانوية هي مستحلبات ذات قطرات يقل حجمها عادةً عن 100 نانومتر. وتوفّر المستحلبات النانوية عدة مزايا مقارنة بالمستحلبات التقليدية، منها خصائص وظيفية فريدة، وثبات أعلى، وشفافية، وغير ذلك.
تتفوق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تقنيات الاستحلاب التقليدية، خاصةً فيما يتعلق بتكوين المستحلبات النانوية. ويعود ذلك إلى مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية الذي يتميز بكفاءة عالية وشدة طاقة مرتفعة.
يوضح الفيديو أدناه عملية استحلاب الزيت (الأصفر) في الماء (الأحمر) باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المختبري UP400S.
مبدأ عمل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
التجويف الصوتي: القوة الدافعة وراء الاستحلاب والاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية
يعتمد الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية على التأثيرات القوية للتجويف الصوتي، وهو ظاهرة تحدث عندما تمر موجات فوق صوتية عالية الشدة عبر سائل. وخلال هذه العملية، تتكوّن فقاعات مجهرية وتنمو ثم تنهار بعنف. ويولّد الانهيار الانفجاري إلى الداخل لهذه الفقاعات ظروفًا موضعية شديدة، تشمل تدرجات حادة في الضغط ودرجة الحرارة، وقوى قص عالية، وموجات صدمية، ونفاثات سائلة دقيقة. وتفتّت هذه القوى بفعالية الجسيمات والقطرات والتكتلات الكبيرة إلى بُنى أصغر بكثير.
توضح الصورة على اليسار التجويف الصوتي الذي يولّده معالج الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000 W) أثناء تشغيله في عمود زجاجي مملوء بالسائل.
كيف يحسّن التجويف الصوتي الاستحلاب
في كل من الاستحلاب والاستحلاب النانوي، تُعد شدة التجويف عاملًا رئيسيًا في تحديد حجم القطرات. فعندما تنهار فقاعات التجويف، تفتّت قوى القص الناتجة القطرات الأكبر إلى قطرات أصغر تدريجيًا. وفي الوقت نفسه، تعزّز التغيرات الموضعية في الضغط ودرجة الحرارة تكوّن قطرات جديدة، مع المساعدة على تثبيت المستحلب.
يتيح هذا الجمع بين تفتيت القطرات وتثبيتها لتقنية الموجات فوق الصوتية إنتاج مستحلبات عالية التجانس ذات توزيعات لأحجام قطرات بالغة الدقة.
توزيع أحجام القطرات في مستحلبات الماء وزيت الزيتون المحضّرة بطريقة (a) التجانس التقليدي و(b) التجانس بالموجات فوق الصوتية (باستخدام UP400S)، مع MD وWPI ومزيجهما، وبمحتوى مادة جافة يبلغ 40% ومحتوى زيت يبلغ 9% (w/w). ينتج الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية قطرات أصغر بدرجة ملحوظة، وتكوّنًا أقل للطبقة القشدية، وثباتًا إجماليًا أفضل للمستحلب.
(الدراسة والرسوم البيانية: Zungur et al., 2015)
مسابير الموجات فوق الصوتية للاستحلاب الفعّال
توفّر Hielscher مجموعة واسعة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار والملحقات لاستحلاب السوائل وتشتيتها بكفاءة في نمطي المعالجة على دفعات والتدفق المستمر.
توفّر الأنظمة المؤلفة من عدة معالجات بالموجات فوق الصوتية، بقدرة تصل إلى 16,000 واط لكل منها، القدرة اللازمة لتحويل هذا التطبيق المختبري إلى طريقة إنتاج فعّالة للحصول على مستحلبات دقيقة التشتت في تدفق مستمر أو على دفعات – مع تحقيق نتائج تضاهي نتائج أفضل المجانسات عالية الضغط المتاحة حاليًا، مثل صمام الفتحة الجديد. وإلى جانب هذه الكفاءة العالية في الاستحلاب المستمر، تتطلب أجهزة Hielscher بالموجات فوق الصوتية قدرًا ضئيلًا جدًا من الصيانة، كما أنها سهلة التشغيل والتنظيف للغاية. وتساعد الموجات فوق الصوتية فعليًا على التنظيف والشطف. ويمكن ضبط القدرة فوق الصوتية وتكييفها مع منتجات محددة ومتطلبات الاستحلاب. وتتوفر أيضًا مفاعلات خاصة بخلايا التدفق تلبّي المتطلبات المتقدمة للتنظيف في الموقع (CIP) والتعقيم في الموقع (SIP).
MultiSonoReactor MSR-4 هو مفاعل تجانس صناعي يعمل ضمن خط الإنتاج، ومناسب لعمليات الاستحلاب، بما فيها الاستحلاب النانوي، بمعدلات معالجة عالية.
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator هو ملحق قوي متوافق مع مفاعلات خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية من Hielscher: باستخدام القطعة المُدخلة MPC48، يُحقن الطور المشتت عبر 48 قنية على هيئة خيوط سائلة رفيعة في المنطقة الساخنة للموجات فوق الصوتية، حيث يُخلط الطور المشتت والطور المستمر على هيئة قطرات متناهية الصغر لتكوين مستحلب نانوي.
اكتشف كيف يحسّن MultiPhaseCavitator الاستحلاب!
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.
- Salla Puupponen, Ari Seppälä, Olli Vartia, Kari Saari, Tapio Ala-Nissilä (2015): Preparation of paraffin and fatty acid phase changing nanoemulsions for heat transfer. Thermochimica Acta, Volume 601, 2015. 33-38.
- F. Joseph Schork; Yingwu Luo; Wilfred Smulders; James P. Russum; Alessandro Butté; Kevin Fontenot (2005): Miniemulsion Polymerization. Adv Polym Sci (2005) 175: 129–255.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
حقائق جديرة بالمعرفة
تعريف مصطلح «المستحلب»
المستحلب هو مزيج من سائلين غير قابلين للامتزاج أو أكثر، مثل الزيت والماء.
يمكن أن تكون المستحلبات من نوع الزيت في الماء (حيث تتشتت قطرات الزيت في الماء) أو الماء في الزيت (حيث تتشتت قطرات الماء في الزيت). وتُستخدم المستحلبات في تطبيقات متنوعة، منها المنتجات الغذائية (مثل صلصات السلطة والمايونيز)، ومستحضرات التجميل (مثل الغسولات والكريمات)، والمستحضرات الصيدلانية (مثل اللقاحات).
يعمل عامل الاستحلاب على تقليل التوتر السطحي بين المادتين غير القابلتين للامتزاج (مثل الزيت والماء) في المستحلب. ويقلّل ذلك ميل المادتين إلى الانفصال، ويسمح لهما بتكوين مزيج ثابت.
كيف يُجعل المستحلب ثابتًا؟
يُجعل المستحلب ثابتًا بمنع الطور المشتت (قطرات أحد السائلين) من الاندماج والانفصال عن الطور المستمر (السائل المحيط). ويجب مراعاة عدة نقاط رئيسية لتحقيق ثبات المستحلبات:
- عوامل الاستحلاب (المواد الخافضة للتوتر السطحي):
– الدور: عوامل الاستحلاب هي جزيئات لها أطراف محبة للماء (جاذبة للماء) وأطراف كارهة للماء (طاردة للماء).
– آلية العمل: تقلّل التوتر السطحي بين السائلين غير القابلين للامتزاج، وتشكّل طبقة واقية حول القطرات تمنع اندماجها.
– أمثلة: الليسيثين، والبولي سوربات، وستيارويل لاكتيلات الصوديوم. - الطرق الميكانيكية:
الخلط عالي الأداء: استخدام خلاطات أو مجانسات عالية القص لتفتيت القطرات إلى أحجام أصغر، مما يزيد مساحة السطح ويعزّز الثبات. تمثّل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار طريقة ممتازة وموثوقة للغاية تستخدم قوى قص ميكانيكية صوتية. وتفتّت قوى القص فوق الصوتية هذه القطرات الكبيرة إلى قطرات متناهية الصغر، وتمزج الأطوار غير القابلة للامتزاج لتكوين مستحلب ثابت. - معدّلات اللزوجة:
المُثخّنات: يمكن أن تؤدي زيادة لزوجة الطور المستمر إلى إبطاء حركة القطرات، مما يقلّل احتمال اندماجها.
– أمثلة: صمغ الزانثان، وصمغ الغوار، وكربوكسي ميثيل السليلوز. - عوامل التثبيت:
– البوليمرات: يمكن أن توفّر البوليمرات تثبيتًا فراغيًا من خلال تكوين طبقة سميكة حول القطرات.
– أمثلة: البكتين، والجيلاتين، وبعض البروتينات. - التثبيت الكهروستاتيكي:
– الشحنة: تُكسب بعض عوامل الاستحلاب سطح القطرات شحنة كهربائية تجعلها تتنافر، مما يقلّل اندماجها.
– أمثلة: كازينات الصوديوم وليسيثين الصويا. - التحكم في درجة الحرارة:
– التبريد: يمكن أن يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة لزوجة الطور المستمر وتقليل الطاقة الحركية للقطرات، مما يمنع اندماجها.
– تجنّب انفصال الأطوار: ضمان بقاء درجة الحرارة ضمن نطاق يمنع انفصال المكونات. - المضافات:
– مضادات الأكسدة: يمكن أن يساعد منع الأكسدة على الحفاظ على سلامة عامل الاستحلاب والمكونات الأخرى.
– العوامل المُخلِّبة: ربط أيونات المعادن التي قد تؤدي، إن لم تُربط، إلى زعزعة ثبات المستحلب.
يمكن جعل المستحلبات ثابتة بتطبيق تقنية الاستحلاب المناسبة، مما يضمن بقاء المزيج متجانسًا واحتفاظه بخصائصه المطلوبة بمرور الوقت.
عوامل الاستحلاب المُثبِّتة
تحتاج المستحلبات عمومًا إلى التثبيت باستخدام عامل استحلاب أو مادة خافضة للتوتر السطحي. عوامل الاستحلاب مزدوجة الألفة – فهي تجذب كلًا من الماء والمواد الدهنية. وهذا يعني أنها تتمتع بخصائص محبة للماء وكارهة للماء (محبة للزيت)، مما يسمح لها بالتفاعل مع كل من الطور الزيتي والطور المائي في المستحلب. ويرتبط الجزء المحب للماء من جزيء عامل الاستحلاب بجزيئات الماء، بينما يرتبط الجزء الكاره للماء بجزيئات الزيت.
من خلال إحاطة قطرات الزيت بجزيئات عامل الاستحلاب، يشكّل عامل الاستحلاب طبقة واقية حول القطرات تمنع تلامسها واندماجها (اتحادها معًا) لتكوين قطرات أكبر. ويساعد ذلك على إبقاء المستحلب ثابتًا ومنع الانفصال.
نظرًا إلى أن اندماج القطرات بعد تفتيتها يؤثر في التوزيع النهائي لأحجام القطرات، تُستخدم عوامل استحلاب فعّالة في التثبيت للحفاظ على التوزيع النهائي لأحجام القطرات عند مستوى مماثل للتوزيع الموجود مباشرةً بعد تفتيت القطرات في منطقة التشتيت بالموجات فوق الصوتية. وتؤدي عوامل التثبيت فعليًا إلى تحسين تفتيت القطرات عند كثافة طاقة ثابتة.
تشمل أمثلة عوامل الاستحلاب الشائعة الاستخدام الليسيثين (الموجود في صفار البيض وفول الصويا)، وأحاديات وثنائيات الغليسريد، وبولي سوربات 80، وستيارويل لاكتيلات الصوديوم.
تعزّز المستحلبات المصغّرة، التي يمكن إنتاجها بكفاءة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية، التفاعلات الكيميائية. البلمرة في المستحلبات الكبيرة (a) مقارنة بالبلمرة في المستحلبات المصغّرة (b) [Schork et al. 2005: 136]
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الأحجام المختبرية إلى الأحجام الصناعية.