Ultrasəs kavitasiyası ilə emulsiyalaşdırma
Kosmetika, dəri losyonları, əczaçılıq məlhəmləri, laklar, boyalar, sürtkü materialları və yanacaqlar kimi geniş çeşidli aralıq və istehlak məhsulları tamamilə və ya qismən emulsiyalara əsaslanır.
Hielscher istehsalat müəssisələrində böyük həcmli axınların səmərəli emulsiyalaşdırılması üçün dünyanın ən böyük sənaye ultrasəs maye emal cihazlarını istehsal edir.
Ultrasəs emulsiyalaşdırması necə işləyir
Laboratoriya tətbiqləri: Ultrasəs homogenləşdirməsi və emulsiyalaşdırması ilə bağlı müxtəlif üstünlüklər sayəsində ultrasəsin emulsiyalaşdırma qabiliyyəti laboratoriya şəraitində uzun müddətdir məlumdur və tətbiq olunur.
Texnologiya
Etibarlı ultrasəs emulsiyalaşdırması sonotrodlar kimi də tanınan ultrasəs zondlarının istifadəsinə əsaslanır. Proses aşağıdakı kimi işləyir:
- Ultrasəs enerjisinin ötürülməsi: Ultrasəs zondu vasitəsilə yüksək intensivlikli ultrasəs enerjisi mayelərə ötürülərək akustik kavitasiya yaradır.
- Kavitasiya təsiri: Ultrasəs və ya akustik kavitasiya böyük damcıları nanoölçülü damcılara parçalamaq üçün tələb olunan enerjini təmin edən yüksək kəsici qüvvələr yaradır.
- Emulsiyanın əmələ gəlməsi: İki və ya daha çox maye faza qarışdırılaraq vahid submikron və ya nanoemulsiya əmələ gətirir.
Axınlı emal texnologiyası vasitəsilə sənaye miqyasına keçid: Ultrasəs axın hüceyrələrinin istifadəsi böyük həcmli axınları fasiləsiz axınlı rejimdə emal etməklə nanoemulsiyaların sənaye istehsalına xətti miqyaslandırma ilə keçməyə imkan verir.
UP400ST ultrasəs cihazından istifadə etməklə şəffaf nanoemulsiyanın ultrasəslə hazırlanması.
Ultrasəs emulsiyalaşdırmasının üstünlükləri
Zond tipli ultrasəs cihazından istifadə etməklə ultrasəs emulsiyalaşdırması digər emulsiyalaşdırma üsulları ilə müqayisədə bir sıra üstünlüklər təklif edir:
- Emulsiyanın yaxşılaşdırılmış sabitliyi: Ultrasəs emulsiyalaşdırması daha kiçik damcı ölçüləri və daha bərabər damcı paylanması yaradır, nəticədə emulsiyanın sabitliyi yaxşılaşır və saxlama müddəti uzanır. Güclü ultrasəsdən istifadə etməklə submikron və nanoölçülü damcılar etibarlı şəkildə istehsal edilə bilər.
- Enerji səmərəliliyi: Ultrasəs emulsiyalaşdırması digər emulsiyalaşdırma üsullarından daha az enerji tələb edir və bu, onu enerji baxımından daha səmərəli prosesə çevirir.
- Miqyaslandırma imkanı: Ultrasəs emulsiyalaşdırmasının miqyası tələb olunan həcmdən asılı olaraq asanlıqla artırıla və ya azaldıla bilər, bu da onu həm laboratoriya, həm də sənaye tətbiqləri üçün çoxməqsədli prosesə çevirir.
- Vaxta qənaət: Ultrasəs emulsiyalaşdırması çox sürətli proses ola bilər; mayelərdən, həcmdən və avadanlıqdan asılı olaraq emulsiyalar saniyələrdən dəqiqələrə qədər müddətdə əmələ gəlir.
- Səthi aktiv maddələrə ehtiyacın azalması: Ultrasəs emulsiyalaşdırması emulsiyaları sabitləşdirmək üçün çox vaxt tələb olunan səthi aktiv maddələrə ehtiyacı azalda bilər. Bununla belə, damcı ölçüsü azaldıqda hissəciyin səth sahəsi artır və səthi aktiv maddə ilə daha böyük sahə örtülməlidir. Ultrasəslə emal alternativ və yeni emulqatorlar da daxil olmaqla, demək olar ki, hər növ səthi aktiv maddə ilə uyğundur.
- Minimal və idarə oluna bilən istilik yaranması: Ultrasəs emulsiyalaşdırması qeyri-termik prosesdir və emal zamanı istilik yaranmasının qarşısını almaq və ya onu cüzi dərəcədə azaltmaq mümkündür. Bununla da həssas birləşmələrin və ya inqrediyentlərin termik parçalanma riski azalır.
Zond tipli ultrasəs cihazından istifadə etməklə ultrasəs emulsiyalaşdırmasının üstünlükləri onu qida və içkilər, əczaçılıq, kosmetika, incə kimya məhsulları və yanacaqlar daxil olmaqla müxtəlif sahələrdə emulsiyalaşdırma üçün əla seçim edir.
Mayonezin ultrasəslə emulsiyalaşdırılması haqqında daha çox oxuyun!
Ultrasəslə emaldan istifadə etməklə parafin mumu emulsiyalarının istehsalı haqqında daha çox oxuyun!
Ultrasəsdən istifadə etməklə istehsal olunan dizeldə su emulsiyaları haqqında daha çox oxuyun!
DLS ölçməsi ultrasəslə istehsal olunmuş suda qızılgül yağı emulsiyasının damcı ölçülərinin bərabər paylanmasını göstərir.
Emulsiya nədir?Emulsiyalar bir-biri ilə qarışmayan iki və ya daha çox mayenin dispersiyalarıdır. Çox yüksək intensivlikli ultrasəs maye fazanı (dispers fazanı) ikinci fazada (fasiləsiz fazada) kiçik damcılar şəklində dispersləşdirmək üçün lazım olan gücü təmin edir. Dispersləşdirmə zonasında daxilə çökən kavitasiya qabarcıqları ətrafdakı mayedə güclü zərbə dalğalarına səbəb olur və yüksək sürətli maye şırnaqlarının əmələ gəlməsi ilə nəticələnir.
Nanoemulsiyalar – ultrasəs cihazları üçün güclü tətbiq
Nanoemulsiyalar damcılarının ölçüsü adətən 100 nanometrdən kiçik olan emulsiyalardır. Nanoemulsiyalar adi emulsiyalarla müqayisədə unikal funksional xüsusiyyətlər, daha yüksək sabitlik, şəffaflıq və s. daxil olmaqla bir sıra üstünlüklər təklif edir.
Ultrasəslə emal, xüsusilə nanoemulsiyaların əmələ gəlməsi baxımından, ənənəvi emulsiyalaşdırma texnologiyalarını üstələyir. Bu, ultrasəsin yüksək səmərəli və yüksək enerji intensivliyinə malik iş prinsipindən irəli gəlir.
Aşağıdakı video UP400S laboratoriya ultrasəs cihazından istifadə etməklə yağın (sarı) suda (qırmızı) emulsiyalaşdırılması prosesini göstərir.
Ultrasəs emulsiyalaşdırmasının iş prinsipi
Akustik kavitasiya: ultrasəs emulsiyalaşdırmasının və nanoemulsiyalaşdırmanın hərəkətverici qüvvəsi
Ultrasəs emulsiyalaşdırması yüksək intensivlikli ultrasəs dalğalarının mayedən keçməsi zamanı baş verən hadisənin – akustik kavitasiyanın güclü təsirlərinə əsaslanır. Bu proses zamanı mikroskopik qabarcıqlar əmələ gəlir, böyüyür və sonra şiddətlə çökür. Bu qabarcıqların daxilə çökməsi kəskin təzyiq və temperatur qradiyentləri, yüksək kəsici qüvvələr, zərbə dalğaları və maye mikroşırnaqları daxil olmaqla ekstremal lokal şərait yaradır. Bu qüvvələr böyük hissəcikləri, damcıları və aqlomeratları effektiv şəkildə xeyli daha kiçik strukturlara parçalayır.
Soldakı şəkil maye ilə doldurulmuş şüşə sütunda işləyən UIP1000hdT ultrasəs emal cihazının (1000 W) yaratdığı akustik kavitasiyanı göstərir.
Akustik kavitasiya emulsiyalaşdırmanı necə yaxşılaşdırır
Həm emulsiyalaşdırmada, həm də nanoemulsiyalaşdırmada kavitasiya intensivliyi damcı ölçüsünü müəyyən edən əsas amillərdən biridir. Kavitasiya qabarcıqları çökdükcə yaranan kəsici qüvvələr daha böyük damcıları getdikcə daha kiçik damcılara parçalayır. Eyni zamanda, lokal təzyiq və temperatur dəyişiklikləri emulsiyanın sabitləşdirilməsinə kömək etməklə yanaşı, yeni damcıların əmələ gəlməsinə şərait yaradır.
Damcıların parçalanması və sabitləşdirilməsinin bu birləşməsi ultrasəs texnologiyasına müstəsna dərəcədə xırda damcı ölçüsü paylanmalarına malik yüksək dərəcədə yekcins emulsiyalar istehsal etməyə imkan verir.
MD, WPI və onların qarışığı ilə (a) klassik homogenləşdirmə üsulu və (b) ultrasəs homogenləşdirməsi üsulu (UP400S istifadə etməklə) ilə hazırlanmış, 40% quru maddəyə və 9% yağ (w/w) tərkibinə malik su–zeytun yağı emulsiyalarının damcı ölçülərinin paylanması. Ultrasəs emulsiyalaşdırması əhəmiyyətli dərəcədə daha kiçik damcılar, daha az qaymaqlaşma və emulsiyanın daha yaxşı ümumi sabitliyi ilə nəticələnir.
(tədqiqat və qrafiklər: Zungur et al., 2015)
Səmərəli emulsiyalaşdırma üçün ultrasəs zondları
Hielscher mayelərin porsiyalı və axınlı rejimdə səmərəli emulsiyalaşdırılması və dispersləşdirilməsi üçün geniş çeşidli zond tipli ultrasəs cihazları və aksesuarları təklif edir.
Hər birinin gücü 16.000 vata qədər olan bir neçə ultrasəs emal cihazından ibarət sistemlər bu laboratoriya tətbiqini fasiləsiz axında və ya porsiya şəklində incə dispersləşdirilmiş emulsiyalar əldə etmək üçün səmərəli istehsal üsuluna çevirməyə lazım olan emal gücünü təmin edir – nəticələr yeni dəlikli klapan kimi bu gün mövcud olan ən yaxşı yüksək təzyiqli homogenizatorların nəticələri ilə müqayisə edilə bilər. Fasiləsiz emulsiyalaşdırmada bu yüksək səmərəliliyə əlavə olaraq, Hielscher ultrasəs cihazları çox az texniki qulluq tələb edir və onların işlədilməsi və təmizlənməsi çox asandır. Ultrasəs təmizləmə və yaxalamaya həqiqətən kömək edir. Ultrasəs gücü tənzimlənə bilir və konkret məhsullara və emulsiyalaşdırma tələblərinə uyğunlaşdırıla bilər. Təkmilləşdirilmiş CIP (yerində təmizləmə) və SIP (yerində sterilizasiya) tələblərinə cavab verən xüsusi axın hüceyrəsi reaktorları da mövcuddur.
MultiSonoReactor MSR-4 yüksək emal məhsuldarlığına malik (nano-)emulsiyalaşdırma prosesləri üçün uyğun olan, axın xəttinə inteqrasiya edilən sənaye homogenləşdirmə reaktorudur.
| Porsiyanın həcmi | Həcm sərfi | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha böyük | bir qrup UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator Hielscher ultrasəs axın hüceyrəsi reaktorları ilə uyğun olan güclü aksesuardır: MPC48 əlavəsindən istifadə etməklə dispers faza 48 kanyula vasitəsilə nazik maye telləri şəklində ultrasəsin qaynar zonasına yeridilir; burada dispers faza və fasiləsiz faza çox kiçik damcılar şəklində qarışdırılaraq nanoemulsiya əmələ gətirir.
MultiPhaseCavitator-un emulsiyalaşdırmanı necə yaxşılaşdırdığını kəşf edin!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma və ekstraksiya üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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
Bilməyə dəyər faktlar
“Emulsiya” termininin tərifi
Emulsiya yağ və su kimi bir-biri ilə qarışmayan iki və ya daha çox mayenin qarışığıdır.
Emulsiyalar suda yağ (yağ damcılarının suda dispersləşdirildiyi) və ya yağda su (su damcılarının yağda dispersləşdirildiyi) tipində ola bilər. Emulsiyalar qida məhsulları (salat sousları və mayonez kimi), kosmetika (losyonlar və kremlər kimi) və əczaçılıq məhsulları (vaksinlər kimi) daxil olmaqla müxtəlif tətbiqlərdə istifadə olunur.
Emulqator emulsiyada bir-biri ilə qarışmayan iki maddə (yağ və su kimi) arasındakı səthi gərilməni azaltmaqla təsir göstərir. Bu, iki maddənin ayrılmağa meylini azaldır və onların sabit qarışıq əmələ gətirməsinə imkan verir.
Emulsiya necə sabitləşdirilir?
Emulsiya dispers fazanın (bir mayenin damcılarının) birləşməsinin və fasiləsiz fazadan (ətrafdakı mayedən) ayrılmasının qarşısını almaqla sabitləşdirilir. Emulsiyalarda sabitliyə nail olmaq üçün bir neçə əsas məqam nəzərə alınmalıdır:
- Emulqatorlar (səthi aktiv maddələr):
– Rolu: Emulqatorlar həm hidrofil (suyu cəlb edən), həm də hidrofob (suyu dəf edən) uclara malik molekullardır.
– Təsiri: Onlar bir-biri ilə qarışmayan iki maye arasındakı səthi gərilməni azaldır və damcıların ətrafında qoruyucu təbəqə əmələ gətirərək onların birləşməsinin qarşısını alır.
– Nümunələr: Lesitin, polisorbatlar və natrium stearoil laktilat. - Mexaniki üsullar:
Yüksək məhsuldarlıqlı qarışdırma: Damcıları daha kiçik ölçülərə parçalamaq, səth sahəsini artırmaq və sabitliyi yaxşılaşdırmaq üçün yüksək kəsici təsirli qarışdırıcılardan və ya homogenizatorlardan istifadə. Zond tipli ultrasəs cihazları sonomexaniki kəsici qüvvələrdən istifadə edən əla və çox etibarlı üsuldur. Bu ultrasəs kəsici qüvvələri böyük damcıları çox kiçik damcılara parçalayır və bir-biri ilə qarışmayan fazaları qarışdıraraq sabit emulsiya əmələ gətirir. - Özlülük tənzimləyiciləri:
Qatılaşdırıcılar: Fasiləsiz fazanın özlülüyünün artırılması damcıların hərəkətini yavaşlada və onların birləşməsi ehtimalını azalda bilər.
– Nümunələr: Ksantan saqqızı, quar saqqızı və karboksimetil sellüloza. - Sabitləşdirici maddələr:
– Polimerlər: Polimerlər damcıların ətrafında qalın təbəqə əmələ gətirməklə sterik sabitləşdirməni təmin edə bilər.
– Nümunələr: Pektin, jelatin və müəyyən zülallar. - Elektrostatik sabitləşdirmə:
– Yük: Bəzi emulqatorlar damcıların səthinə elektrik yükü verir, onların bir-birini dəf etməsinə səbəb olur və beləliklə birləşməni azaldır.
– Nümunələr: Natrium kazeinat və soya lesitini. - Temperaturun idarə olunması:
– Soyutma: Temperaturun aşağı salınması fasiləsiz fazanın özlülüyünü artıra və damcıların kinetik enerjisini azalda bilər, bununla da birləşmənin qarşısını ala bilər.
– Fazaların ayrılmasının qarşısının alınması: Temperaturun komponentlərin ayrılmasının qarşısını alan diapazonda qalmasının təmin edilməsi. - Əlavələr:
– Antioksidantlar: Oksidləşmənin qarşısının alınması emulqatorun və digər komponentlərin bütövlüyünü qorumağa kömək edə bilər.
– Xelatlaşdırıcı maddələr: Əks halda emulsiyanın sabitliyini poza biləcək metal ionlarının bağlanması.
Düzgün emulsiyalaşdırma üsulunu tətbiq etməklə emulsiyaları sabitləşdirmək, qarışığın zaman keçdikcə homogen qalmasını və arzu olunan xüsusiyyətlərini saxlamasını təmin etmək mümkündür.
Sabitləşdirici emulqatorlar
Ümumiyyətlə, emulsiyalar emulqator və ya səthi aktiv maddə vasitəsilə sabitləşdirilməlidir. Emulqatorlar amfifildir – onlar həm suyu, həm də yağlı maddələri cəlb edir. Bu o deməkdir ki, onlar hidrofil (suyu sevən) və hidrofob (yağı sevən) xüsusiyyətlərə malikdir və bu, onlara emulsiyanın həm yağ, həm də su fazaları ilə qarşılıqlı təsirdə olmağa imkan verir. Emulqator molekulunun hidrofil hissəsi su molekullarına, hidrofob hissəsi isə yağ molekullarına birləşir.
Yağ damcılarını emulqator molekulları ilə əhatə etməklə emulqator damcıların ətrafında qoruyucu təbəqə yaradır; bu təbəqə onların bir-biri ilə təmas etməsinin və birləşərək daha böyük damcılar əmələ gətirməsinin qarşısını alır. Bu, emulsiyanın sabit qalmasına kömək edir və ayrılmanın qarşısını alır.
Parçalanmadan sonra damcıların birləşməsi son damcı ölçüsü paylanmasına təsir etdiyindən, son damcı ölçüsü paylanmasını ultrasəs dispersləşdirmə zonasında damcıların parçalanmasından dərhal sonrakı paylanmaya bərabər səviyyədə saxlamaq üçün səmərəli sabitləşdirici emulqatorlardan istifadə olunur. Sabitləşdiricilər sabit enerji sıxlığında damcıların parçalanmasını həqiqətən yaxşılaşdırır.
Geniş istifadə olunan emulqatorlara lesitin (yumurta sarısında və soya paxlasında olur), mono- və diqliseridlər, polisorbat 80 və natrium stearoil laktilat daxildir.
Ultrasəslə emal vasitəsilə səmərəli şəkildə yaradıla bilən miniemulsiyalar kimyəvi reaksiyaları gücləndirir. Makroemulsiya polimerləşməsi (a) ilə miniemulsiya polimerləşməsinin (b) müqayisəsi [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarını laboratoriya miqyasından sənaye miqyasına qədər istehsal edir.