Емулгиране чрез ултразвукова кавитация

Широка гама от междинни и потребителски продукти, като козметика и лосиони за кожа, фармацевтични мехлеми, лакове, бои и смазочни материали и горива, се основават изцяло или частично на емулсии. Hielscher произвежда най-големите в света промишлени ултразвукови течни процесори за ефективно емулгиране на големи потоци в производствени предприятия.

Ултразвукова емулгиране

В лабораторията емулгиращата сила на ултразвука е известна и прилагана отдавна поради различни предимства, които са свързани с ултразвуковата хомогенизация и емулгиране. Надеждната ултразвукова емулгификация се основава на използването на ултразвукови сонди, така наречените сонотроди. Чрез ултразвуковата сонда ултразвукът с висока интензивност се свързва с течности и създава акустична кавитация. Ултразвуковата или акустичната кавитация генерира високи сили на срязване, които осигуряват необходимата енергия за разрушаване на големи капки до капчици с наноразмер. По този начин две или повече течни фази се смесват в равномерна субмикрон- или наноемулсия.
Използването на ултразвукови поточни клетки позволява линейно мащабиране до промишлено производство на наноемулсии, обработващи големи обемни потоци в непрекъснат поток.
Многофазен кавитатор: Уникалната вложка за поточна клетка на Hielscher MPC48 е мощен аксесоар, съвместим с реакторите с ултразвукови поточни клетки на Hielscher. С помощта на вложката MPC48 дисперсната фаза се инжектира през 48 канюли като тънки течни нишки в ултразвуковата гореща зона, където диспергираната фаза и непрекъснатата фаза се смесват като миниатюрни капчици в наноемулсия. Прочетете повече за ултразвуковата вложка за проточна клетка MPC48!

Предимства на ултразвуковата емулгиране

Ултразвуковата емулгификация с помощта на ултразвуков звук тип сонда предлага няколко предимства пред другите техники за емулгиране:

1. 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.
2. Енергийна ефективност: Ултразвуковата емулгификация изисква по-малко енергия от другите методи за емулгиране, което я прави по-енергийно ефективен процес.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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!

Ултразвуково приготвяне на емулсия масло във вода (O/W) (червена вода / жълто масло). Няколко секунди ултразвук превръщат отделните фази вода/масло във фина емулсия.

 
 
Видеото по-долу показва процеса на емулгиране на масло (жълто) във вода (червено) с помощта на лабораторния ултразвуков уред UP400S.

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 – Захранващо приложение за ултразвукови 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.

Принцип на работа на ултразвуковата емулгиране

Процесите на ултразвукова емулгация използват силите на акустичната кавитация. Акустичната кавитация се отнася до явлението образуване, растеж и имплозивен колапс на малки мехурчета в течна среда, подложена на ултразвукови вълни с висока интензивност. Имплозията на тези мехурчета генерира интензивни локални градиенти на налягането и температурата, които могат да създадат силите на срязване, ударни вълни и микроструи, които могат да разградят големи частици и агломерати на по-малки. Снимката вляво показва ултразвукова кавитация, генерирана от сондата на ултразвуковия апарат UIP1000hdT (1000 вата) в пълна с течност стъклена колона.
При емулгирането и наноемулгирането интензивността на акустичната кавитация играе критична роля за намаляване на размера на капчиците в емулсията. Имплозивният колапс на кавитационните мехурчета може да създаде силни сили на срязване, които разграждат по-големите капчици на по-малки. Освен това локалните градиенти на налягането и температурата, генерирани от кавитацията, също могат да насърчат образуването на нови капчици и да стабилизират емулсията.
Уникалният аспект на акустичната кавитация е способността й да осигурява локализирано и интензивно подаване на енергия в течната среда, без да са необходими високи механични или термични напрежения. Това го прави привлекателна техника за наноемулгиране, тъй като може да намали вложената енергия, необходима за процеса на емулгиране, като същевременно постигне по-малък размер на капката и по-тясно разпределение на размера на капките.
Благодарение на тези прецизно контролируеми ултразвукови сили, акустичната кавитация е мощен инструмент за наноемулгиране. Способността му да генерира локализирана и интензивна енергия позволява да се разграждат по-големи капчици, образувайки такива с субмикронни и наноразмери с много висока ефективност.

Проучванията на емулсии масло във вода (водна фаза) и вода в масло (маслена фаза) показват корелацията между енергийната плътност и размера на капките (напр. диаметър на Саутер). Налице е ясна тенденция за по-малък размер на капките при увеличаване на енергийната плътност (кликнете върху дясната графика). При подходящи нива на енергийна плътност ултразвукът може лесно и надеждно да постигне средни размери на капките в нанодиапазона.

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).