Emulgiranje ultrazvučnom kavitacijom
Širok spektar poluproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje i maziva i goriva u potpunosti ili djelomično bazirani su na emulzijama. Hielscher proizvodi najveće svjetske industrijske ultrazvučne tečne procesore za efikasno emulgiranje velikih količina tokova u proizvodnim pogonima.
Ultrazvučna emulzifikacija
U laboratoriji, moć emulgiranja ultrazvuka je poznata i dugo primjenjivana zbog različitih prednosti koje su vezane za ultrazvučnu homogenizaciju i emulzifikaciju. Pouzdana ultrazvučna emulzifikacija zasniva se na upotrebi ultrazvučnih sondi, tzv. sonotroda. Preko ultrazvučne sonde, ultrazvuk visokog intenziteta se spaja u tečnosti i stvara akustičnu kavitaciju. Ultrazvučna ili akustična kavitacija stvara velike sile smicanja, koje osiguravaju potrebnu energiju za razbijanje velikih kapljica do nano-veličine. Pri tome se dvije ili više tekućih faza miješaju u jednoličnu submikronu ili nano-emulziju.
Korištenje ultrazvučnih protočnih ćelija omogućava linearno povećanje do industrijske proizvodnje nanoemulzija koje obrađuju velike količine tokova u kontinuiranom protoku.
MultiPhaseCavitator: Jedinstveni Hielscher umetak za protočne ćelije MPC48 je moćan dodatak kompatibilan s Hielscher ultrazvučnim reaktorima s protočnim ćelijama. Koristeći uložak MPC48, disperzna faza se ubrizgava preko 48 kanila kao tanke tečne niti u ultrazvučnu vruću zonu, gdje se disperzna faza i kontinuirana faza miješaju kao sitne kapljice u nanoemulziju. Pročitajte više o umetku za ultrazvučnu protočnu ćeliju MPC48!
Prednosti ultrazvučne emulzifikacije
Ultrazvučna emulzifikacija pomoću ultrazvučnog aparata tipa sonde nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge tehnike emulgiranja:
- Poboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvučna emulzifikacija stvara manje veličine kapljica i ujednačeniju distribuciju kapljica, što rezultira poboljšanom stabilnošću emulzije i dužim vijekom trajanja. Kapljice submikronske i nano veličine mogu se pouzdano proizvesti uz pomoć ultrazvuka.
- Energetske efikasnosti: Ultrazvučna emulzifikacija zahtijeva manje energije od drugih metoda emulgiranja, što je čini energetski efikasnijim procesom.
- Skalabilnost: Ultrazvučna emulgacija se može lako povećati ili smanjiti ovisno o potrebnoj zapremini, što je čini svestranim procesom za laboratorijske i industrijske primjene.
- Usteda vremena: Ultrazvučna emulzifikacija može biti vrlo brz proces, pri čemu se emulzije formiraju za nekoliko sekundi do minuta, ovisno o tekućini, zapremini i opremi.
- Smanjena potreba za surfaktantima: Ultrazvučna emulzifikacija može smanjiti potrebu za surfaktantima, koji su često potrebni za stabilizaciju emulzija. Međutim, sa smanjenom veličinom kapljice, površina čestice se povećava i veća površina mora biti pokrivena surfaktantom. Ultrasonication je kompatibilan s gotovo svim vrstama surfaktanata uključujući alternativne i nove emulgatore.
- Minimalna i kontrolirana proizvodnja topline: Ultrazvučna emulzifikacija je netermički proces i stvaranje toplote tokom obrade može se izbjeći ili u maloj mjeri smanjiti. Time se smanjuje rizik od termičke degradacije osjetljivih spojeva ili sastojaka.
Prednosti ultrazvučne emulgacije pomoću ultrazvučnog uređaja tipa sonde čine ga odličnim izborom za emulgiranje u raznim poljima, uključujući hranu i piće, farmaceutske proizvode, kozmetiku, fine hemikalije i goriva.
Pročitajte više o ultrazvučnoj emulgaciji majoneze!
Pročitajte više o proizvodnji emulzija parafinskog voska pomoću sonikacije!
Pročitajte više o emulzijama vode u dizelu proizvedenim ultrazvukom!

Ultrazvučna priprema emulzije ulje u vodi (O/W) (crvena voda / žuto ulje). Nekoliko sekundi ultrazvučne obrade pretvaraju odvojene faze vode/ulja u finu emulziju.
Video ispod prikazuje proces emulgiranja ulja (žuto) u vodu (crveno) pomoću laboratorijskog ultrazvučnog aparata UP400S.

Emulzije su disperzije dvije ili više tekućina koje se ne miješaju. Visoko intenzivan ultrazvuk daje snagu potrebnu za raspršivanje tečne faze (disperzovane faze) u malim kapljicama u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni raspršivanja, implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i rezultiraju stvaranjem tekućih mlazova velike brzine tekućine.
nano-emulzije – Aplikacija za napajanje za ultrasonikatore
Nanoemulzije su emulzije s kapljicama koje su obično manje od 100 nanometara. Nanoemulzije nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne emulzije, uključujući jedinstvena funkcionalna svojstva, veću stabilnost, transparentnost itd.
Ultrasonication nadmašuje tradicionalne tehnologije emulgiranja, posebno kada je u pitanju formiranje nanoemulzija. To je zbog visoko efikasnog i energetski intenzivnog principa rada ultrazvuka.
Princip rada ultrazvučne emulzifikacije
Ultrazvučni procesi emulgiranja koriste sile akustične kavitacije. Akustična kavitacija se odnosi na fenomen formiranja, rasta i implozivnog kolapsa malih mjehurića u tečnom mediju podvrgnutom ultrazvučnim talasima visokog intenziteta. Implozija ovih mjehurića stvara intenzivne lokalne gradijente tlaka i temperature, koji mogu stvoriti silu smicanja, udarne valove i mikro-mlazove koji mogu razbiti velike čestice i aglomerate na manje. Slika lijevo prikazuje ultrazvučnu kavitaciju generiranu na sondi ultrazvučnog aparata UIP1000hdT (1000 vati) u staklenoj koloni ispunjenoj tekućinom.
U emulzifikaciji i nano-emulzifikaciji, intenzitet akustične kavitacije igra ključnu ulogu u smanjenju veličine kapljica u emulziji. Implozivni kolaps kavitacijskih mjehurića može stvoriti jake sile smicanja koje razlažu veće kapljice na manje. Štoviše, lokalni gradijenti tlaka i temperature nastali kavitacijom mogu također potaknuti stvaranje novih kapljica i stabilizirati emulziju.
Jedinstveni aspekt akustične kavitacije je njena sposobnost da obezbedi lokalizovan i intenzivan unos energije u tečni medij, bez potrebe za visokim mehaničkim ili termičkim naprezanjima. To ga čini atraktivnom tehnikom za nano-emulzifikaciju, jer može smanjiti unos energije potreban za proces emulgiranja uz postizanje manje veličine kapljica i uže raspodjele veličine kapljica.
Zbog ovih ultrazvučnih sila koje se precizno mogu kontrolirati, akustična kavitacija je moćan alat za nanoemulzifikaciju. Njegova sposobnost da generiše lokalizovan i intenzivan unos energije omogućava razbijanje većih kapljica formirajući one submikronske i nano veličine uz veoma visoku efikasnost.
Studije emulzija ulje u vodi (vodena faza) i voda u ulju (uljna faza) pokazale su korelaciju između gustine energije i veličine kapljica (npr. Sauterov prečnik). Postoji jasna tendencija manje veličine kapljica pri povećanju gustine energije (kliknite na desnu grafiku). Na odgovarajućim nivoima gustine energije, ultrazvuk može lako i pouzdano postići srednje veličine kapljica u nano opsegu.
Ultrazvučne sonde za efikasnu emulziju
Hielscher nudi široku paletu ultrasonikatora tipa sonde i pribora za učinkovito emulgiranje i dispergiranje tekućina u šaržnom i protočnom načinu rada.
Sistemi koji se sastoje od nekoliko ultrazvučnih procesora do 16.000 vati svaki, pružaju kapacitet potreban za prevođenje ove laboratorijske aplikacije u efikasnu proizvodnu metodu za dobijanje fino raspršenih emulzija u kontinuiranom toku ili u serijama – postižući rezultate uporedive sa rezultatima današnjih najboljih dostupnih homogenizatora visokog pritiska, kao što je novi ventil sa otvorom. Pored ove visoke efikasnosti u kontinuiranoj emulgaciji, Hielscher ultrazvučni uređaji zahtijevaju vrlo nisko održavanje i vrlo su jednostavni za rukovanje i čišćenje. Ultrazvuk zapravo podržava čišćenje i ispiranje. Ultrazvučna snaga je podesiva i može se prilagoditi određenim proizvodima i zahtjevima emulgiranja. Dostupni su i specijalni reaktori sa protočnim ćelijama koji ispunjavaju napredne zahtjeve CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizacija na mjestu).
Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
0.5 do 1.5 mL | N / A | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Definicija pojma “Emulzija”
Emulzija je mješavina dvije ili više tekućina koje se ne miješaju, kao što su ulje i voda.
Emulzije mogu biti ili ulje u vodi (gdje su kapljice ulja raspršene u vodi) ili voda u ulju (gdje su kapljice vode raspršene u ulju). Emulzije se koriste u raznim primjenama, uključujući prehrambene proizvode (kao što su preljevi za salatu i majonez), kozmetiku (kao što su losioni i kreme) i farmaceutske proizvode (kao što su cjepiva).
Emulgator djeluje tako što smanjuje površinsku napetost između dvije tvari koje se ne miješaju (kao što su ulje i voda) u emulziji. Ovo smanjuje sklonost dviju tvari ka razdvajanju i omogućava im da formiraju stabilnu smjesu.
Kako se emulzija čini stabilnom?
Emulzija se postiže stabilnom sprečavanjem da se disperzna faza (kapljice jedne tečnosti) spoji i odvoji od kontinualne faze (okolne tečnosti). Za postizanje stabilnosti emulzija potrebno je uzeti u obzir nekoliko ključnih točaka:
- Emulgatori (tenzidi):
– Uloga: Emulgatori su molekule koje imaju i hidrofilne (privlače vodu) i hidrofobne (vodoodbojne) krajeve.
– Akcija: Oni smanjuju površinsku napetost između dvije tekućine koje se ne miješaju i formiraju zaštitni sloj oko kapljica, sprječavajući njihovo spajanje.
– primjeri: Lecitin, polisorbati i natrijum stearoil laktilat. - Mehaničke metode:
Miksanje visokih performansi: Upotreba miksera ili homogenizatora sa visokim smicanjem za razbijanje kapljica na manje veličine, povećavajući površinu i poboljšavajući stabilnost. Sonikatori tipa sonde su odlična i vrlo pouzdana metoda koja koristi sonomehaničke smične sile. Ove ultrazvučne sile smicanja razbijaju velike kapljice u sitne kapljice i miješaju faze koje se ne miješaju u stabilnu emulziju. - Modifikatori viskoziteta:
Zgušnjivači: Povećanje viskoznosti kontinuirane faze može usporiti kretanje kapljica, smanjujući vjerovatnoću spajanja.
– primjeri: Ksantan guma, guar guma i karboksimetil celuloza. - Stabilizujuća sredstva:
– polimeri: Polimeri mogu obezbijediti steričku stabilizaciju formiranjem debelog sloja oko kapljica.
– primjeri: Pektin, želatin i određeni proteini. - Elektrostatička stabilizacija:
– Naplata: Neki emulgatori daju električni naboj površini kapljica, uzrokujući da se međusobno odbijaju i na taj način smanjuju koalescenciju.
– primjeri: Natrijum kazeinat i sojin lecitin. - Kontrola temperature:
– hlađenje: Snižavanje temperature može povećati viskozitet kontinuirane faze i smanjiti kinetičku energiju kapljica, sprečavajući koalescenciju.
– Izbjegavanje razdvajanja faza: Osigurati da temperatura ostane unutar raspona koji sprječava razdvajanje komponenti. - aditivi:
– antioksidansi: Sprečavanje oksidacije može pomoći u održavanju integriteta emulgatora i drugih komponenti.
– Kelatni agensi: Vezanje metalnih jona koji bi inače mogli destabilizovati emulziju.
Primjenom prave tehnike emulgiranja, emulzije se mogu učiniti stabilnim, osiguravajući da smjesa ostane homogena i zadrži željena svojstva tokom vremena.
Stabilizirajući emulgatori
Općenito, emulzije zahtijevaju stabilizaciju pomoću emulgatora ili surfaktanta. Emulgatori su amfifilni – privlače i vodu i masne tvari. To znači da imaju hidrofilna (sklonost prema vodi) i hidrofobna (sklonost prema ulju) svojstva, što im omogućava interakciju sa uljnom i vodenom fazom emulzije. Hidrofilni dio molekula emulgatora vezuje se za molekule vode, dok se hidrofobni dio vezuje za molekule ulja.
Okružujući kapljice ulja molekulama emulgatora, emulgator stvara zaštitni sloj oko kapljica koji ih sprječava da dođu u kontakt jedna s drugom i da se spajaju (spajaju) kako bi formirale veće kapljice. Ovo pomaže da se emulzija održi stabilnom i sprečava odvajanje.
Kako koalescencija kapljica nakon prekida utječe na konačnu distribuciju veličine kapljica, koriste se efikasno stabilizirajući emulgatori kako bi se održala konačna distribucija veličine kapljica na nivou koji je jednak distribuciji neposredno nakon prekida kapljica u zoni ultrazvučne disperzije. Stabilizatori zapravo dovode do poboljšanog poremećaja kapljica pri konstantnoj gustoći energije.
Primjeri najčešće korištenih emulgatora uključuju lecitin (koji se nalazi u žumancima i sojinim zrnima), mono- i digliceride, polisorbat 80 i natrijum stearoil laktilat.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.