Емулгиране чрез ултразвукова кавитация
Широка гама от продукти за междинно производство и за крайни потребители – като козметика, лосиони за кожа, фармацевтични мехлеми, лакове, бои, смазочни материали и горива – се основават изцяло или частично на емулсии.
Hielscher произвежда най-големите в света промишлени ултразвукови процесори за течности, предназначени за ефективно емулгиране на големи обеми в производствени предприятия.
Как работи ултразвуковото емулгиране
Лабораторни приложения: В лабораторни условия емулгиращата способност на ултразвука е известна и се използва отдавна, благодарение на редицата предимства, свързани с ултразвуковата хомогенизация и емулгиране.
Технологията
Надеждното ултразвуково емулгиране се основава на използването на ултразвукови сонди, известни още като сонотроди. Процесът протича по следния начин:
- Свързващ гел за ултразвук: Чрез ултразвуковата сонда в течностите се подава ултразвук с висока интензивност, което води до акустична кавитация.
- Кавитационен ефект: Ултразвуковата или акустичната кавитация генерира високи срязващи сили, които осигуряват необходимата енергия за разбиване на големи капки до капки с наноразмери.
- Образуване на емулсия: Две или повече течни фази се смесват в хомогенна субмикронна или наноемулсия.
Мащабиране на промишлено ниво чрез технология с непрекъснат поток: Използването на ултразвукови поточни клетки позволява линейно мащабиране до промишлено производство на наноемулсии, като се обработват големи обеми в режим на непрекъснат поток.
Ултразвуково получаване на прозрачна наноемулсия с помощта на ултразвуковия апарат UP400ST.
Предимствата на ултразвуковата емулгиране
Ултразвуковата емулгификация с помощта на ултразвуков звук тип сонда предлага няколко предимства пред другите техники за емулгиране:
- Подобрена стабилност на емулсията: Ултразвуковата емулгиране създава по-малки размери на капките и по-равномерно разпределение на капките, което води до подобрена стабилност на емулсията и по-дълъг срок на годност. Субмикронни и наноразмерни капчици могат да бъдат надеждно произведени с помощта на мощен ултразвук.
- Енергийна ефективност: Ултразвуковата емулгификация изисква по-малко енергия от другите методи за емулгиране, което я прави по-енергийно ефективен процес.
- Мащабируемост: Ултразвуковата емулгация може лесно да се увеличава или намалява в зависимост от необходимия обем, което я прави универсален процес както за лабораторни, така и за промишлени приложения.
- Спестяване на време: Ултразвуковата емулгификация може да бъде много бърз процес, като емулсиите се образуват за секунди до минути, в зависимост от течностите, обема и оборудването.
- Намалена нужда от повърхностноактивни вещества: Ултразвуковата емулгификация може да намали нуждата от повърхностноактивни вещества, които често са необходими за стабилизиране на емулсиите. Въпреки това, с намален размер на капката, повърхността на частицата се увеличава и повече площ трябва да бъде покрита от повърхностноактивно вещество. Ултразвукът е съвместим с почти всякакъв вид повърхностноактивни вещества, включително алтернативни и нови емулгатори.
- Минимално и контролируемо генериране на топлина: Ултразвуковата емулгиране е нетермичен процес и генерирането на топлина по време на обработката може да бъде избегнато или намалено до малка степен. По този начин се намалява рискът от термично разграждане на чувствителни съединения или съставки.
Предимствата на ултразвуковата емулгация с помощта на ултразвуков ултразвук тип сонда го правят отличен избор за емулгиране в различни области, включително храни и напитки, фармацевтични продукти, козметика, фини химикали и горива.
Прочетете повече за ултразвуковата емулгиране на майонеза!
Прочетете повече за производството на парафинови восъчни емулсии с помощта на ултразвук!
Прочетете повече за Емулсии вода в дизел, произведени с помощта на ултразвук!
Измерването с DLS показва равномерното разпределение на размера на капките в ултразвуково произведена емулсия от розово масло във вода.
Какво е емулсия?Емулсиите са дисперсии на две или повече несмесващи се течности. Високоинтензивният ултразвук доставя мощността, необходима за разпръскване на течна фаза (диспергирана фаза) на малки капчици във втора фаза (непрекъсната фаза). В зоната на диспергиране имплодиращите кавитационни мехурчета причиняват интензивни ударни вълни в околната течност и водят до образуването на течни струи с висока скорост на течността.
Нано-емулсии – Приложението на ултразвуковите апарати
Наноемулсиите са емулсии с капчици, които обикновено са с размер по-малък от 100 нанометра. Наноемулсиите предлагат няколко предимства пред конвенционалните емулсии, включително уникални функционални свойства, по-висока стабилност, прозрачност и др.
Ултразвукът превъзхожда традиционните технологии за емулгиране, особено когато става въпрос за образуване на наноемулсии. Това се дължи на високоефективния и енергоемък принцип на работа на ултразвука.
Видеото по-долу показва процеса на емулгиране на масло (жълто) във вода (червено) с помощта на лабораторния ултразвуков уред UP400S.
Принцип на работа на ултразвуковата емулгиране
Акустична кавитация: движещата сила зад ултразвуковата емулгиране и наноемулгирането
Ултразвуковото емулгиране се основава на мощните ефекти на акустичната кавитация – явление, което възниква, когато ултразвукови вълни с висока интензивност преминават през течност. По време на този процес се образуват микроскопични мехурчета, които нарастват и след това се разрушават бурно. Имплозивният колапс на тези мехурчета генерира екстремни локализирани условия, включително интензивни налягания и температурни градиенти, високи срязващи сили, ударни вълни и течни микроструи. Тези сили ефективно разбиват големи частици, капчици и агломерати на много по-малки структури.
Изображението вляво показва акустичната кавитация, генерирана от ултразвуковия процесор UIP1000hdT (1000 W), работещ в стъклена колона, пълна с течност.
Как акустичната кавитация подобрява емулгирането
Както при емулгирането, така и при наноемулгирането интензивността на кавитацията е ключов фактор за определяне на размера на капките. Когато кавитационните мехурчета се разпадат, възникващите срязващи сили раздробяват по-големите капки на все по-малки. Същевременно локализираните промени в налягането и температурата спомагат за образуването на нови капки, като същевременно допринасят за стабилизирането на емулсията.
Тази комбинация от разбиване и стабилизиране на капките позволява на ултразвуковата технология да създава изключително хомогенни емулсии с изключително фино разпределение на размера на капките.
Разпределение на размера на капките във водно-зехтинни емулсии, приготвени чрез (а) класически метод на хомогенизация и (б) ултразвукова хомогенизация (с помощта на UP400S) с MD, WPI и тяхна смес, съдържащи 40% сухо вещество и 9% маслено съдържание (тегл.). Ултразвуковото емулгиране води до значително по-малки капки, по-малко разслояване и по-добра обща стабилност на емулсията.
(проучване и графики: Zungur et al., 2015)
Ултразвукови сонди за ефективна емулгиране
Hielscher предлага широка гама от ултразвукови уреди и аксесоари за ефективна емулгиране и диспергиране на течности в партиден и проточен режим.
Системите, състоящи се от няколко ултразвукови процесора до 16 000 вата всеки, осигуряват капацитета, необходим за превръщане на това лабораторно приложение в ефективен производствен метод за получаване на фино диспергирани емулсии в непрекъснат поток или в партида – постигане на резултати, сравними с тези на най-добрите налични хомогенизатори за високо налягане днес, като новия вентил с отвор. В допълнение към тази висока ефективност при непрекъсната емулгиране, ултразвуковите устройства на Hielscher изискват много ниска поддръжка и са много лесни за работа и почистване. Ултразвукът всъщност подпомага почистването и изплакването. Ултразвуковата мощност е регулируема и може да се адаптира към конкретни продукти и изисквания за емулгиране. Предлагат се и специални реактори с поточни клетки, отговарящи на усъвършенстваните изисквания за CIP (почистване на място) и SIP (стерилизиране на място).
MultiSonoReactor MSR-4 е индустриален вграден хомогенизационен реактор, подходящ за процеси на (нано)емулгиране с висока производителност.
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.5 до 1,5 мл | Н.А. | ФлаконВисокоговорител за високи честоти | 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Мултифазен кавитатор (MPC48)
MultiPhaseCavitator е мощен аксесоар, съвместим с ултразвуковите реактори с проточни клетки на Hielscher: при използване на вложката MPC48 дисперсната фаза се впръсква чрез 48 канюли под формата на тънки течни струи в ултразвуковата гореща зона, където дисперсната и континуалната фаза се смесват под формата на миниатюрни капчици, образувайки наноемулсия.
Открийте как MultiPhaseCavitator подобрява емулгирането!
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Литература / Препратки
- 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
Факти, които си струва да знаете
Определение на термина “емулсия”
Емулсията е смес от две или повече несмесващи се течности, като масло и вода.
Емулсиите могат да бъдат или масло във вода (където маслените капчици се диспергират във вода) или вода в масло (където водните капчици се диспергират в маслото). Емулсиите се използват в различни приложения, включително хранителни продукти (като салатни дресинги и майонеза), козметика (като лосиони и кремове) и фармацевтични продукти (като ваксини).
Емулгаторът работи чрез намаляване на повърхностното напрежение между двете несмесващи се вещества (като масло и вода) в емулсия. Това намалява склонността на двете вещества да се разделят и им позволява да образуват стабилна смес.
Как емулсията става стабилна?
Емулсията се прави стабилна, като се предотвратява сливането и отделянето на дисперсната фаза (капчици от една течност) от непрекъснатата фаза (заобикалящата течност). За постигане на стабилност в емулсиите трябва да се вземат предвид няколко ключови момента:
- Емулгатори (повърхностноактивни вещества):
– Роля: Емулгаторите са молекули, които имат както хидрофилни (привличащи вода), така и хидрофобни (водоотблъскващи) краища.
– Действие: Те намаляват повърхностното напрежение между двете несмесващи се течности и образуват защитен слой около капчиците, предотвратявайки сливането им.
– Примери: Лецитин, полисорбати и натриев стеароил лактилат. - Механични методи:
Високоефективно смесване: Използване на смесители с високо срязване или хомогенизатори за разбиване на капчиците на по-малки размери, увеличаване на повърхността и подобряване на стабилността. Сондовите ултразвукови апарати са отличен и много надежден метод, използващ сономеханични сили на срязване. Тези ултразвукови сили на срязване разбиват големи капчици на малки капчици и смесват несмесващите се фази в стабилна емулсия. - Модификатори на вискозитета:
Сгъстители: Увеличаването на вискозитета на непрекъснатата фаза може да забави движението на капчиците, намалявайки вероятността от сливане.
– Примери: Ксантанова гума, гума гуар и карбоксиметил целулоза. - Стабилизиращи агенти:
– Полимери: Полимерите могат да осигурят стерична стабилизация, като образуват дебел слой около капчиците.
– Примери: Пектин, желатин и някои протеини. - Електростатична стабилизация:
– Заряд: Някои емулгатори придават електрически заряд на повърхността на капчиците, карайки ги да се отблъскват един друг и по този начин намаляват коалесценцията.
– Примери: Натриев казеинат и соев лецитин. - Контрол на температурата:
– Охлаждане: Понижаването на температурата може да увеличи вискозитета на непрекъснатата фаза и да намали кинетичната енергия на капчиците, предотвратявайки коалесценцията.
– Избягване на разделяне на фазите: Гарантиране, че температурата остава в диапазон, който предотвратява отделянето на компонентите. - Добавки:
– Антиоксиданти: Предотвратяването на окисляването може да помогне за поддържане на целостта на емулгатора и други компоненти.
– Хелатиращи агенти: Свързване на метални йони, които иначе биха могли да дестабилизират емулсията.
Прилагайки правилната техника на емулгиране, емулсиите могат да станат стабилни, като се гарантира, че сместа остава хомогенна и запазва желаните си свойства във времето.
Стабилизиращи емулгатори
По принцип емулсиите изискват стабилизиране с помощта на емулгиращ агент или повърхностно активно вещество. Емулгаторите са амфифилни – привличат както вода, така и мастни вещества. Това означава, че те имат хидрофилни (водолюбиви) и хидрофобни (маслолюбиви) свойства, което им позволява да взаимодействат както с маслената, така и с водната фаза на емулсията. Хидрофилната част на молекулата на емулгатора се прикрепя към водните молекули, докато хидрофобната част се прикрепя към маслените молекули.
Заобикаляйки маслените капчици с емулгаторни молекули, емулгаторът създава защитен слой около капчиците, който им пречи да влизат в контакт помежду си и да се сливат (съединяват), за да образуват по-големи капчици. Това помага да се поддържа емулсията стабилна и предотвратява отделянето.
Тъй като срастването на капчиците след разрушаване влияе върху крайното разпределение на размера на капките, се използват ефективно стабилизиращи емулгатори, за да се поддържа крайното разпределение на размера на капките на ниво, равно на разпределението непосредствено след разрушаването на капката в зоната на ултразвуково диспергиране. Стабилизаторите всъщност водят до подобрено разрушаване на капките при постоянна енергийна плътност.
Примери за често използвани емулгатори включват лецитин (който се намира в яйчните жълтъци и соята), моно- и диглицериди, полисорбат 80 и натриев стеароил лактилат.
Миниемулсиите, които могат да бъдат ефективно създадени чрез ултразвук, засилват химичните реакции. Макроемулсионна полимеризация (а) срещу миниемулсионна полимеризация (б) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.