الاستحلاب بواسطة التجويف بالموجات فوق الصوتية
تعتمد مجموعة واسعة من المنتجات الوسيطة والاستهلاكية ، مثل مستحضرات التجميل ومستحضرات البشرة والمراهم الصيدلانية والورنيش والدهانات ومواد التشحيم والوقود كليا أو جزئيا على المستحلبات. Hielscher بتصنيع أكبر المعالجات السائلة بالموجات فوق الصوتية الصناعية في العالم للاستحلاب الفعال للتيارات كبيرة الحجم في مصانع الإنتاج.
الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
في المختبر ، كانت قوة الاستحلاب للموجات فوق الصوتية معروفة ومطبقة لفترة طويلة بسبب الفوائد المختلفة المرتبطة بالتجانس بالموجات فوق الصوتية والاستحلاب. ويستند الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية موثوق بها على استخدام تحقيقات الموجات فوق الصوتية ، ما يسمى sonotrodes. عبر مسبار الموجات فوق الصوتية ، تقترن الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة بالسوائل وتخلق تجويفا صوتيا. يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية أو الصوتية قوى قص عالية ، والتي توفر الطاقة المطلوبة لتعطيل القطرات الكبيرة وصولا إلى قطرات بحجم النانو. وبالتالي ، يتم خلط مرحلتين سائلتين أو أكثر في مستحلب شبه ميكرون أو نانو موحد.
يسمح استخدام خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية بالتوسع الخطي للإنتاج الصناعي للمستحلبات النانوية التي تعالج تيارات كبيرة الحجم في التدفق المستمر.
متعدد الأطوار كافيتور: فريدة من نوعها Hielscher إدراج خلية التدفق MPC48 هو ملحق قوي متوافق مع مفاعلات خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية Hielscher. باستخدام إدخال MPC48 ، يتم حقن المرحلة المشتتة عبر 48 قنية كخيوط سائلة رقيقة في المنطقة الساخنة بالموجات فوق الصوتية ، حيث يتم خلط المرحلة المشتتة والمرحلة المستمرة كقطرات دقيقة في مستحلب نانوي. اقرأ المزيد عن إدراج خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية MPC48!
الموجات فوق الصوتية موثوقة وفعالة في إنتاج مستحلبات بحجم الميكرون والنانو.
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!
إعداد بالموجات فوق الصوتية من مستحلب النفط في الماء (O / W) (الماء الأحمر / النفط الأصفر). بضع ثوان من صوتنة تحويل مراحل الماء / النفط منفصلة إلى مستحلب غرامة.
يوضح الفيديو أدناه عملية استحلاب الزيت (الأصفر) إلى ماء (أحمر) باستخدام الموجات فوق الصوتية في المختبر UP400S.
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.
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]
مستحلبات النانو – تطبيق الطاقة للموجات 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.
مبدأ عمل الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
تستخدم عمليات الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية قوى التجويف الصوتي. يشير التجويف الصوتي إلى ظاهرة تكوين ونمو وانهيار الفقاعات الصغيرة في وسط سائل يخضع لموجات فوق صوتية عالية الكثافة. يولد انفجار هذه الفقاعات ضغطا محليا شديدا وتدرجات حرارة ، والتي يمكن أن تخلق قوى قص عالية ، وموجات صدمة ، ونفاثات دقيقة يمكنها تكسير الجسيمات الكبيرة والتكتلات إلى جزيئات أصغر. توضح الصورة اليسرى التجويف بالموجات فوق الصوتية المتولدة عند مسبار الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000 واط) في عمود زجاجي مملوء بالسائل.
في الاستحلاب والاستحلاب النانوي ، تلعب شدة التجويف الصوتي دورا مهما في تقليل حجم القطرات في المستحلب. يمكن أن يؤدي الانهيار الانفجاري لفقاعات التجويف إلى إنشاء قوى قص قوية تكسر القطرات الكبيرة إلى قطرات أصغر. علاوة على ذلك ، يمكن لتدرجات الضغط ودرجة الحرارة المحلية الناتجة عن التجويف أن تعزز أيضا تكوين قطرات جديدة واستقرار المستحلب.
الجانب الفريد للتجويف الصوتي هو قدرته على توفير مدخلات طاقة موضعية ومكثفة للوسط السائل ، دون الحاجة إلى ضغوط ميكانيكية أو حرارية عالية. وهذا يجعلها تقنية جذابة للاستحلاب النانوي ، حيث يمكنها تقليل مدخلات الطاقة المطلوبة لعملية الاستحلاب مع تحقيق حجم قطرة أصغر وتوزيع أضيق لحجم القطرة.
بسبب هذه القوى فوق الصوتية التي يمكن التحكم فيها بدقة ، يعد التجويف الصوتي أداة قوية لاستحلاب النانو. تسمح قدرتها على توليد مدخلات طاقة موضعية ومكثفة بتكسير القطرات الكبيرة التي تشكل قطرات بحجم أقل من ميكرون ونانو بكفاءة عالية جدا.
أظهرت الدراسات التي أجريت على مستحلبات الزيت في الماء (مرحلة الماء) والماء في الزيت (مرحلة الزيت) العلاقة بين كثافة الطاقة وحجم القطرة (مثل قطر السوتر). هناك ميل واضح لحجم قطرات أصغر عند زيادة كثافة الطاقة (انقر على الرسم الأيمن). في مستويات كثافة الطاقة المناسبة ، يمكن للموجات فوق الصوتية أن تحقق بسهولة وموثوقية متوسط أحجام القطرات في نطاق النانو.
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!
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.
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.
بتطبيق التقنية الصحيحة للاستحلاب ، يمكن جعل المستحلبات مستقرة ، مما يضمن بقاء الخليط متجانسا 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.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.