الاستحلاب بواسطة التجويف بالموجات فوق الصوتية
مجموعة واسعة من المنتجات الوسيطة والاستهلاكية – مثل مستحضرات التجميل، ومستحضرات العناية بالبشرة، والمراهم الصيدلانية، والورنيشات، والدهانات، ومواد التشحيم، والوقود – تستند كليًا أو جزئيًا إلى المستحلبات.
تقوم شركة هيلشر بتصنيع أكبر معالجات سوائل صناعية تعمل بالموجات فوق الصوتية في العالم، وذلك من أجل إجراء عملية الاستحلاب بكفاءة لتيارات السوائل ذات الأحجام الكبيرة في مصانع الإنتاج.
كيفية عمل عملية الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
التطبيقات المختبرية: في المختبرات، تُعرف قدرة الموجات فوق الصوتية على التميع وتُستخدم منذ فترة طويلة، وذلك بفضل المزايا المتعددة المرتبطة بالتجانس والتميع بالموجات فوق الصوتية.
التكنولوجيا
يعتمد الاستحلاب الموثوق بالموجات فوق الصوتية على استخدام مجسات الموجات فوق الصوتية، والمعروفة أيضًا باسم السونوتروودات. وتتم العملية على النحو التالي:
- مواد التوصيل بالموجات فوق الصوتية: يتم توجيه الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة إلى السوائل عبر المسبار فوق الصوتي، مما يؤدي إلى حدوث تجويف صوتي.
- تأثير التجويف: يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية أو الصوتية قوى قص عالية، توفر الطاقة اللازمة لتفتيت القطرات الكبيرة إلى قطرات بحجم النانو.
- تكوين المستحلب: يتم خلط مرحلتين سائلتين أو أكثر لتكوين مستحلب متجانس بحجم أقل من الميكرون أو النانو.
توسيع النطاق الصناعي باستخدام تقنية التدفق المباشر: يتيح استخدام خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية التوسع التدريجي حتى الوصول إلى الإنتاج الصناعي للمستحلبات النانوية، مع معالجة تدفقات كبيرة الحجم في نظام تدفق مستمر.
تحضير مستحلب نانوي شفاف بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز الموجات فوق الصوتية UP400ST.
مزايا الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية باستخدام الموجات فوق الصوتية من نوع التحقيق يوفر العديد من المزايا على تقنيات الاستحلاب الأخرى:
- تحسين استقرار المستحلب: يخلق الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية أحجام قطرات أصغر وتوزيعا أكثر اتساقا للقطرات ، مما يؤدي إلى تحسين استقرار المستحلب وعمر افتراضي أطول. يمكن إنتاج قطرات بحجم الميكرون والنانو بشكل موثوق باستخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة.
- كفاءة الطاقة: يتطلب الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية طاقة أقل من طرق الاستحلاب الأخرى ، مما يجعلها عملية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
- قابلية التوسع: يمكن توسيع نطاق الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية بسهولة لأعلى أو لأسفل اعتمادا على الحجم المطلوب ، مما يجعلها عملية متعددة الاستخدامات لكل من التطبيقات المختبرية والصناعية.
- توفير الوقت: يمكن أن يكون الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية عملية سريعة للغاية ، حيث تتشكل المستحلبات في ثوان إلى دقائق ، اعتمادا على السوائل والحجم والمعدات.
- تقليل الحاجة إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي: يمكن أن يقلل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية من الحاجة إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي ، والتي غالبا ما تكون مطلوبة لتثبيت المستحلبات. ومع ذلك ، مع انخفاض حجم القطرة ، تزداد مساحة سطح الجسيم ويجب تغطية مساحة أكبر بواسطة خافض للتوتر السطحي. Ultrasonication متوافق مع أي نوع تقريبا من السطحي بما في ذلك المستحلبات البديلة والجديدة.
- توليد الحرارة الحد الأدنى والتحكم فيه: الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية هو عملية غير حرارية ويمكن تجنب توليد الحرارة أثناء المعالجة أو تقليلها إلى درجة صغيرة. وبالتالي ، يتم تقليل خطر التدهور الحراري للمركبات أو المكونات الحساسة.
مزايا الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية باستخدام الموجات فوق الصوتية من نوع التحقيق تجعله خيارا ممتازا للاستحلاب في مجموعة متنوعة من المجالات ، بما في ذلك 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 صوتنة!
اقرأ المزيد عن مستحلبات الماء في الديزل المنتجة باستخدام الموجات فوق الصوتية!
يُظهر قياس DLS التوزيع المتجانس لحجم القطرات في مستحلب زيت الورد في الماء المُنتج بالموجات فوق الصوتية.
ما هو المستحلب؟المستحلبات هي تشتت اثنين أو أكثر من السوائل غير القابلة للامتزاج. توفر الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة الطاقة اللازمة لتفريق المرحلة السائلة (المرحلة المشتتة) في قطرات صغيرة في المرحلة الثانية (المرحلة المستمرة). في منطقة التشتت ، تتسبب فقاعات التجويف المتفجرة في موجات صدمة مكثفة في السائل المحيط وتؤدي إلى تكوين نفاثات سائلة ذات سرعة سائلة عالية.
مستحلبات النانو – تطبيقات الطاقة في أجهزة الموجات فوق الصوتية
المستحلبات النانوية هي مستحلبات ذات قطرات يقل حجمها عادة عن 100 نانومتر. توفر المستحلبات النانوية العديد من المزايا مقارنة بالمستحلبات التقليدية ، بما في ذلك الخصائص الوظيفية الفريدة ، والاستقرار العالي ، والشفافية ، وما إلى ذلك.
Ultrasonication يتفوق على تقنيات الاستحلاب التقليدية خاصة عندما يتعلق الأمر بتشكيل المستحلبات النانوية. ويرجع ذلك إلى مبدأ العمل عالي الكفاءة والطاقة المكثف للموجات فوق الصوتية.
يوضح الفيديو أدناه عملية استحلاب الزيت (الأصفر) إلى ماء (أحمر) باستخدام الموجات فوق الصوتية في المختبر UP400S.
مبدأ عمل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
التجويف الصوتي: القوة الدافعة وراء الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية والاستحلاب النانوي
يعتمد الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية على التأثيرات القوية للتجويف الصوتي، وهي ظاهرة تحدث عندما تمر موجات فوق صوتية عالية الكثافة عبر سائل. وخلال هذه العملية، تتشكل فقاعات مجهرية، ثم تنمو، لتنهار بعد ذلك بعنف. يؤدي الانهيار الانفجاري لهذه الفقاعات إلى توليد ظروف محلية قاسية، بما في ذلك تدرجات شديدة في الضغط والحرارة، وقوى قص عالية، وموجات صدمية، ونفاثات سائلة دقيقة. تعمل هذه القوى على تفتيت الجزيئات الكبيرة والقطرات والتكتلات بشكل فعال إلى هياكل أصغر بكثير.
تُظهر الصورة الموجودة على اليسار التكهف الصوتي الناتج عن جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000 واط) أثناء تشغيله داخل عمود زجاجي مملوء بالسائل.
كيف يعمل التجويف الصوتي على تحسين عملية الاستحلاب
في كل من عملية الاستحلاب وعملية الاستحلاب النانوي، تُعد شدة التكهف عاملاً أساسياً في تحديد حجم القطرات. فعندما تنهار فقاعات التكهف، تؤدي قوى القص الناتجة إلى تفتيت القطرات الكبيرة إلى قطرات أصغر حجماً بشكل متزايد. وفي الوقت نفسه، تسهم التغيرات الموضعية في الضغط ودرجة الحرارة في تشكيل قطرات جديدة، بينما تساعد في الوقت نفسه على استقرار المستحلب.
إن هذا المزيج بين تفتيت القطرات وتثبيتها يمكّن التكنولوجيا فوق الصوتية من إنتاج مستحلبات متجانسة للغاية ذات توزيعات حجمية دقيقة للغاية للقطرات.
توزيع حجم القطرات في مستحلبات الماء وزيت الزيتون المحضرة بواسطة (أ) طريقة التجانس التقليدية و(ب) طريقة التجانس بالموجات فوق الصوتية (باستخدام جهاز UP400S) باستخدام MD وWPI ومزيج منهما، بنسبة 40% من المادة الجافة و9% من الزيت (وزن/وزن). ويؤدي الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية إلى قطرات أصغر حجمًا بشكل ملحوظ، وتقليل تكوّن الطبقة الدهنية، وتحسين الاستقرار العام للمستحلب.
(دراسة ورسوم بيانية: Zungur et al. ، 2015)
مجسات بالموجات فوق الصوتية للاستحلاب الفعال
Hielscher يقدم مجموعة واسعة من الموجات فوق الصوتية من نوع التحقيق وملحقاتها للاستحلاب الفعال وتشتيت السوائل في وضع الدفعات والتدفق.
توفر الأنظمة التي تتكون من عدة معالجات بالموجات فوق الصوتية يصل كل منها إلى 16000 واط ، السعة اللازمة لترجمة هذا التطبيق المعملي إلى طريقة إنتاج فعالة للحصول على مستحلبات مشتتة بدقة في التدفق المستمر أو في دفعة – تحقيق نتائج مماثلة لأفضل المجانسات عالية الضغط المتاحة اليوم ، مثل صمام الفتحة الجديد. بالإضافة إلى هذه الكفاءة العالية في الاستحلاب المستمر، أجهزة الموجات فوق الصوتية Hielscher تتطلب صيانة منخفضة جدا وسهلة جدا لتشغيل وتنظيف. الموجات فوق الصوتية تدعم في الواقع التنظيف والشطف. قوة الموجات فوق الصوتية قابلة للتعديل ويمكن تكييفها مع منتجات معينة ومتطلبات الاستحلاب. تتوفر أيضا مفاعلات خلايا التدفق الخاصة التي تلبي متطلبات التنظيف المكاني (CIP) المتقدمة (التنظيف في المكان) و SIP (التعقيم في المكان).
MultiSonoReactor MSR-4 هو مفاعل تجانس مضمن صناعي مناسب لعمليات الاستحلاب (النانوية) ذات الإنتاجية العالية.
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5 مل | ن.أ. | VialTweeter | 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150 لتر | 3 إلى 15 لتر / دقيقة | UIP6000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
جهاز التكهف متعدد المراحل (MPC48)
يُعد جهاز MultiPhaseCavitator ملحقًا قويًا متوافقًا مع مفاعلات الخلايا التدفقية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher: باستخدام الملحق MPC48، يتم حقن الطور المُشتت عبر 48 قنية على شكل خيوط سائلة رفيعة إلى المنطقة الساخنة للموجات فوق الصوتية، حيث يتم خلط الطور المُشتت والطور المستمر على شكل قطرات دقيقة لتكوين مستحلب نانوي.
اكتشف كيف يعمل جهاز MultiPhaseCavitator على تحسين عملية الاستحلاب!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / 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 تستحق المعرفة
تعريف المصطلح “مستحلب”
المستحلب هو خليط من اثنين أو أكثر من السوائل غير القابلة للامتزاج ، مثل الزيت والماء.
يمكن أن تكون المستحلبات إما زيتا في الماء (حيث تنتشر قطرات الزيت في الماء) أو ماء في زيت (حيث تنتشر قطرات الماء في الزيت). تستخدم المستحلبات في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك المنتجات الغذائية (مثل تتبيلات السلطة والمايونيز) ومستحضرات التجميل (مثل المستحضرات والكريمات) والمستحضرات الصيدلانية (مثل اللقاحات).
يعمل المستحلب عن طريق تقليل التوتر السطحي بين المادتين غير القابلة للامتزاج (مثل الزيت والماء) في المستحلب. هذا يقلل من ميل المادتين للانفصال ويسمح لهما بتكوين خليط مستقر.
كيف يتم جعل المستحلب مستقرا؟
يصبح المستحلب مستقرا عن طريق منع الطور المشتت (قطرات سائل واحد) من الاندماج والانفصال عن الطور المستمر (السائل المحيط). يجب مراعاة عدة نقاط رئيسية لتحقيق الاستقرار في المستحلبات:
- المستحلبات (السطحي):
– دور: المستحلبات هي جزيئات لها نهايات محبة للماء (جاذبة للماء) وكارهة للماء (طاردة للماء).
– فعل: إنها تقلل من التوتر السطحي بين السائلين غير القابلين للامتزاج وتشكل طبقة واقية حول القطرات ، مما يمنعها من الاندماج.
– امثله: الليسيثين ، بوليسوربات ، ولاكتيلات ستيرويل الصوديوم. - الطرق الميكانيكية:
خلط عالي الأداء: استخدام خلاطات أو مجانسات عالية القص لتكسير القطرات إلى أحجام أصغر ، مما يزيد من مساحة السطح ويعزز الاستقرار. تعتبر الصوتيات من نوع المسبار طريقة ممتازة وموثوقة للغاية باستخدام قوى القص الميكانيكية. تعمل قوى القص فوق الصوتية هذه على تكسير القطرات الكبيرة إلى قطرات دقيقة ومزج المراحل غير القابلة للامتزاج في مستحلب مستقر. - معدلات اللزوجة:
مثخنات: يمكن أن تؤدي زيادة لزوجة المرحلة المستمرة إلى إبطاء حركة القطرات ، مما يقلل من احتمالية الاندماج.
– امثله: صمغ الزانثان وصمغ الغوار وكربوكسي ميثيل السليلوز. - عوامل الاستقرار:
– البوليمرات: يمكن أن توفر البوليمرات استقرارا ستيريا عن طريق تكوين طبقة سميكة حول القطرات.
– امثله: البكتين والجيلاتين وبعض البروتينات. - التثبيت الكهروستاتيكي:
– اتهام: تنقل بعض المستحلبات شحنة كهربائية إلى سطح القطرات ، مما يؤدي إلى تنافر بعضها البعض وبالتالي تقليل الاندماج.
– امثله: كازينات الصوديوم وليسيثين الصويا. - التحكم في درجة الحرارة:
– تبريد: يمكن أن يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة لزوجة الطور المستمر وتقليل الطاقة الحركية للقطرات ، مما يمنع الاندماج.
– تجنب فصل الطور: ضمان بقاء درجة الحرارة ضمن نطاق يمنع المكونات من الانفصال. - المضافات:
– الاكسده: يمكن أن يساعد منع الأكسدة في الحفاظ على سلامة المستحلب والمكونات الأخرى.
– عوامل مخلبية: ربط أيونات المعادن التي قد تزعزع استقرار المستحلب.
وبتطبيق التقنية الصحيحة للاستحلاب، يمكن جعل المستحلبات مستقرة، مما يضمن بقاء الخليط متجانسًا ويحتفظ بخصائصه المرغوبة بمرور الوقت.
استقرار المستحلبات
بشكل عام ، تتطلب المستحلبات التثبيت باستخدام عامل استحلاب أو خافض للتوتر السطحي. المستحلبات برمائية - فهي تجذب الماء والمواد الدهنية. هذا يعني أن لديهم خصائص محبة للماء (محبة للماء) وكارهة للماء (محبة للزيت) ، مما يسمح لهم بالتفاعل مع كل من مرحلتي الزيت والماء في المستحلب. يرتبط الجزء المحب للماء من جزيء المستحلب بجزيئات الماء ، بينما يرتبط الجزء الكارهة للماء بجزيئات الزيت.
من خلال إحاطة قطرات الزيت بجزيئات المستحلب ، يخلق المستحلب طبقة واقية حول القطرات تمنعها من ملامسة بعضها البعض والاندماج (الانضمام معا) لتشكيل قطرات أكبر. هذا يساعد على الحفاظ على استقرار المستحلب ويمنع الانفصال.
نظرا لأن اندماج القطرات بعد الاضطراب يؤثر على التوزيع النهائي لحجم القطرة ، يتم استخدام مستحلبات التثبيت بكفاءة للحفاظ على التوزيع النهائي لحجم القطرة عند مستوى يساوي التوزيع مباشرة بعد اضطراب القطيرات في منطقة التشتت بالموجات فوق الصوتية. تؤدي المثبتات في الواقع إلى تحسين اضطراب القطيرات عند كثافة طاقة ثابتة.
تشمل أمثلة المستحلبات شائعة الاستخدام الليسيثين (الموجود في صفار البيض وفول الصويا) ، أحادي وثنائي الجليسريد ، بوليسوربات 80 ، ولاكتيلات ستيرويل الصوديوم.
Miniemulsions ، والتي يمكن إنشاؤها بكفاءة عن طريق الموجات فوق الصوتية ، وتعزيز التفاعلات الكيميائية. بلمرة المستحلب الكلي (أ) مقابل بلمرة المستحلب المصغر (ب) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.