Emulgovanje ultrazvučnom kavitacijom
Širok spektar poluproizvoda i potrošačkih proizvoda – kao što su kozmetika, losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje, maziva i goriva – u cijelosti ili djelomično se zasniva na emulzijama.
Hielscher proizvodi najveće industrijske ultrazvučne procesore tekućina na svijetu za efikasno emulgovanje velikih volumnih tokova u proizvodnim postrojenjima.
Kako funkcioniše ultrazvučno emulgovanje
Laboratorijske primjene: U laboratorijskim uslovima moć ultrazvuka za emulgovanje odavno je poznata i primjenjuje se zbog raznih prednosti ultrazvučne homogenizacije i emulgovanja.
Tehnologija
Pouzdano ultrazvučno emulgovanje zasniva se na upotrebi ultrazvučnih sondi, poznatih i kao sonotrode. Proces se odvija na sljedeći način:
- Ulaz ultrazvuka: Putem ultrazvučne sonde ultrazvuk visokog intenziteta uvodi se u tekućine, čime nastaje akustična kavitacija.
- Efekat kavitacije: Ultrazvučna ili akustična kavitacija stvara visoke smične sile, koje daju potrebnu energiju za razbijanje velikih kapljica sve do kapljica nanometarske veličine.
- Stvaranje emulzije: Dvije ili više tekućih faza miješaju se u jednoličnu submikronsku emulziju ili nanoemulziju.
Industrijsko povećanje razmjera putem protočne tehnologije: Upotreba ultrazvučnih protočnih ćelija omogućava linearno povećanje razmjera do industrijske proizvodnje nanoemulzija, uz obradu velikih volumnih tokova u kontinuiranom protoku.
Ultrazvučna priprema bistre nanoemulzije pomoću ultrazvučnog uređaja UP400ST.
Prednosti ultrazvučnog emulgovanja
Ultrazvučno emulgovanje pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge tehnike emulgovanja:
- Poboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvučno emulgovanje stvara manje kapljice i ravnomjerniju raspodjelu kapljica, što rezultira poboljšanom stabilnošću emulzije i dužim rokom trajanja. Pomoću snažnog ultrazvuka mogu se pouzdano proizvesti kapljice submikronske i nanometarske veličine.
- Energetska efikasnost: Ultrazvučno emulgovanje zahtijeva manje energije od drugih metoda emulgovanja, što ga čini energetski efikasnijim procesom.
- Skalabilnost: Ultrazvučno emulgovanje može se jednostavno povećati ili smanjiti ovisno o potrebnom volumenu, pa je to svestran proces i za laboratorijske i za industrijske primjene.
- Ušteda vremena: Ultrazvučno emulgovanje može biti vrlo brz proces, pri čemu se emulzije stvaraju za nekoliko sekundi do nekoliko minuta, ovisno o tekućinama, volumenu i opremi.
- Manja potreba za surfaktantima: Ultrazvučno emulgovanje može smanjiti potrebu za surfaktantima, koji su često potrebni za stabilizaciju emulzija. Međutim, sa smanjenjem veličine kapljica povećava se površina čestice i veća površina mora biti prekrivena surfaktantom. Ultrazvučna obrada (sonikacija) kompatibilna je s gotovo svakom vrstom surfaktanta, uključujući alternativne i nove emulgatore.
- Minimalno i kontrolisano stvaranje topline: Ultrazvučno emulgovanje je netermički proces, a stvaranje topline tokom obrade može se izbjeći ili smanjiti u maloj mjeri. Time se smanjuje rizik od termičke razgradnje osjetljivih spojeva ili sastojaka.
Prednosti ultrazvučnog emulgovanja pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom čine ga odličnim izborom za emulgovanje u raznim oblastima, uključujući hranu i piće, farmaciju, kozmetiku, fine hemikalije i goriva.
Saznajte više o ultrazvučnom emulgovanju majoneze!
Saznajte više o proizvodnji emulzija parafinskog voska ultrazvučnom obradom (sonikacijom)!
Saznajte više o emulzijama vode u dizelu proizvedenim pomoću ultrazvuka!
DLS mjerenje pokazuje jednoličnu raspodjelu veličine kapljica ultrazvučno proizvedene emulzije ružinog ulja u vodi.
Šta je emulzija?Emulzije su disperzije dviju ili više tekućina koje se ne miješaju. Ultrazvuk visokog intenziteta daje snagu potrebnu za dispergovanje jedne tekuće faze (disperzne faze) u sitne kapljice u drugoj fazi (kontinuiranoj fazi). U zoni dispergovanja kavitacijski mjehurići koji implodiraju uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i dovode do stvaranja tekućih mlazeva velike brzine.
Nanoemulzije – snažna primjena za ultrazvučne uređaje
Nanoemulzije su emulzije s kapljicama čija je veličina obično manja od 100 nanometara. Nanoemulzije nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne emulzije, uključujući jedinstvena funkcionalna svojstva, veću stabilnost, prozirnost itd.
Ultrazvučna obrada (sonikacija) nadmašuje tradicionalne tehnologije emulgovanja, posebno kada je riječ o stvaranju nanoemulzija. To je zbog vrlo efikasnog i energetski intenzivnog principa rada ultrazvuka.
Video ispod prikazuje proces emulgovanja ulja (žuto) u vodi (crveno) pomoću laboratorijskog ultrazvučnog uređaja UP400S.
Princip rada ultrazvučnog emulgovanja
Akustična kavitacija: pokretačka snaga ultrazvučnog emulgovanja i nanoemulgovanja
Ultrazvučno emulgovanje oslanja se na snažne efekte akustične kavitacije, pojave koja nastaje kada ultrazvučni valovi visokog intenziteta prolaze kroz tekućinu. Tokom tog procesa nastaju mikroskopski mjehurići, rastu, a zatim se silovito urušavaju. Implozivno urušavanje tih mjehurića stvara ekstremne lokalizirane uslove, uključujući intenzivne gradijente pritiska i temperature, visoke smične sile, udarne valove i tekuće mikromlazeve. Te sile efikasno razbijaju velike čestice, kapljice i aglomerate u mnogo manje strukture.
Slika lijevo prikazuje akustičnu kavitaciju koju stvara ultrazvučni procesor UIP1000hdT (1000 W) tokom rada u staklenoj koloni napunjenoj tekućinom.
Kako akustična kavitacija poboljšava emulgovanje
I pri emulgovanju i pri nanoemulgovanju intenzitet kavitacije ključan je faktor u određivanju veličine kapljica. Kako se kavitacijski mjehurići urušavaju, nastale smične sile razbijaju veće kapljice na sve manje. Istovremeno, lokalizirane promjene pritiska i temperature potiču stvaranje novih kapljica i pomažu u stabilizaciji emulzije.
Ova kombinacija razbijanja kapljica i stabilizacije omogućava ultrazvučnoj tehnologiji da proizvodi vrlo jednolične emulzije s izuzetno finom raspodjelom veličine kapljica.
Raspodjela veličine kapljica emulzija vode i maslinovog ulja pripremljenih (a) klasičnom metodom homogenizacije i (b) metodom ultrazvučne homogenizacije (pomoću UP400S) s MD, WPI i njihovom smjesom, uz 40% suhe tvari i 9% ulja (w/w). Ultrazvučno emulgovanje daje znatno manje kapljice, manje izdvajanja pavlake (creaming) i bolju ukupnu stabilnost emulzije.
(studija i grafikoni: Zungur et al., 2015)
Ultrazvučne sonde za efikasno emulgovanje
Hielscher nudi širok izbor ultrazvučnih uređaja sa sondom i pribora za efikasno emulgovanje i dispergovanje tekućina u šaržnom i protočnom režimu.
Sistemi koji se sastoje od nekoliko ultrazvučnih procesora snage do 16.000 vati svaki pružaju kapacitet potreban da se ova laboratorijska primjena pretoči u efikasnu proizvodnu metodu za dobivanje fino dispergovanih emulzija u kontinuiranom protoku ili u šarži – uz postizanje rezultata uporedivih s današnjim najboljim dostupnim homogenizatorima visokog pritiska, kao što je novi orifice ventil. Uz ovu visoku efikasnost kontinuiranog emulgovanja, ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher zahtijevaju vrlo malo održavanja te su vrlo jednostavni za upotrebu i čišćenje. Ultrazvuk zapravo podržava čišćenje i ispiranje. Ultrazvučna snaga je podesiva i može se prilagoditi pojedinim proizvodima i zahtjevima emulgovanja. Dostupni su i posebni reaktori s protočnom ćelijom koji ispunjavaju napredne zahtjeve CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizacija na mjestu).
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline reaktor za homogenizaciju pogodan za procese (nano)emulgovanja s velikim kapacitetima obrade.
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je snažan pribor kompatibilan s ultrazvučnim reaktorima s protočnom ćelijom kompanije Hielscher: pomoću umetka MPC48 disperzna faza se ubrizgava kroz 48 kanila kao tanki tekući mlazevi u ultrazvučnu vruću zonu, gdje se disperzna i kontinuirana faza miješaju u sitne kapljice i tako tvore nanoemulziju.
Saznajte kako MultiPhaseCavitator poboljšava emulgovanje!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergovanja, emulgovanja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilot i industrijskim razmjerima.
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
Zanimljive činjenice
Definicija pojma „emulzija“
Emulzija je smjesa dviju ili više tekućina koje se ne miješaju, kao što su ulje i voda.
Emulzije mogu biti tipa ulje u vodi (gdje su kapljice ulja dispergovane u vodi) ili voda u ulju (gdje su kapljice vode dispergovane u ulju). Emulzije se koriste u raznim primjenama, uključujući prehrambene proizvode (kao što su preljevi za salatu i majoneza), kozmetiku (kao što su losioni i kreme) i farmaceutske proizvode (kao što su vakcine).
Emulgator djeluje tako što smanjuje površinski napon između dviju supstanci koje se ne miješaju (kao što su ulje i voda) u emulziji. Time se smanjuje sklonost tih dviju supstanci razdvajanju i omogućava im se da tvore stabilnu smjesu.
Kako se emulzija stabilizira?
Emulzija se stabilizira sprječavanjem koalescencije disperzne faze (kapljica jedne tekućine) i njenog odvajanja od kontinuirane faze (okolne tekućine). Za postizanje stabilnosti emulzija treba uzeti u obzir nekoliko ključnih tačaka:
- Emulgatori (surfaktanti):
– Uloga: Emulgatori su molekule koje imaju i hidrofilne (privlače vodu) i hidrofobne (odbijaju vodu) krajeve.
– Djelovanje: Smanjuju površinski napon između dviju tekućina koje se ne miješaju i oko kapljica stvaraju zaštitni sloj, sprječavajući njihovu koalescenciju.
– Primjeri: Lecitin, polisorbati i natrij-stearoil laktilat. - Mehaničke metode:
Visokoučinkovito miješanje: Upotreba miješalica s visokim smicanjem ili homogenizatora za razbijanje kapljica na manje veličine, čime se povećava površina i poboljšava stabilnost. Ultrazvučni uređaji sa sondom odlična su i vrlo pouzdana metoda koja koristi sonomehaničke smične sile. Te ultrazvučne smične sile razbijaju velike kapljice u sitne kapljice i miješaju faze koje se ne miješaju u stabilnu emulziju. - Modifikatori viskoznosti:
Zgušnjivači: Povećanje viskoznosti kontinuirane faze može usporiti kretanje kapljica, čime se smanjuje vjerovatnoća koalescencije.
– Primjeri: Ksantan guma, guar guma i karboksimetil celuloza. - Stabilizatori:
– Polimeri: Polimeri mogu osigurati sternu stabilizaciju tako što oko kapljica stvaraju debeo sloj.
– Primjeri: Pektin, želatin i određeni proteini. - Elektrostatička stabilizacija:
– Naboj: Neki emulgatori daju površini kapljica električni naboj, zbog čega se kapljice međusobno odbijaju, čime se smanjuje koalescencija.
– Primjeri: Natrij-kazeinat i sojin lecitin. - Kontrola temperature:
– Hlađenje: Snižavanje temperature može povećati viskoznost kontinuirane faze i smanjiti kinetičku energiju kapljica, sprječavajući koalescenciju.
– Izbjegavanje razdvajanja faza: Osiguravanje da temperatura ostane u rasponu koji sprječava razdvajanje komponenti. - Aditivi:
– Antioksidansi: Sprječavanje oksidacije može pomoći u očuvanju integriteta emulgatora i drugih komponenti.
– Helatni agensi: Vezivanje metalnih iona koji bi inače mogli destabilizirati emulziju.
Primjenom odgovarajuće tehnike emulgovanja emulzije se mogu stabilizirati, čime se osigurava da smjesa ostane homogena i da tokom vremena zadrži željena svojstva.
Stabilizirajući emulgatori
Općenito, emulzije zahtijevaju stabilizaciju pomoću emulgatora ili surfaktanta. Emulgatori su amfifilni – privlače i vodu i masne tvari. To znači da imaju hidrofilna (vole vodu) i hidrofobna (vole ulje) svojstva, što im omogućava interakciju s uljnom i vodenom fazom emulzije. Hidrofilni dio molekule emulgatora veže se za molekule vode, dok se hidrofobni dio veže za molekule ulja.
Okružujući kapljice ulja molekulama emulgatora, emulgator stvara zaštitni sloj oko kapljica koji ih sprječava da dođu u međusobni kontakt i koalesciraju (spoje se) u veće kapljice. To pomaže da emulzija ostane stabilna i sprječava razdvajanje.
Budući da koalescencija kapljica nakon razbijanja utiče na konačnu raspodjelu veličine kapljica, efikasno stabilizirajući emulgatori koriste se kako bi se konačna raspodjela veličine kapljica održala na nivou koji je jednak raspodjeli neposredno nakon razbijanja kapljica u ultrazvučnoj zoni dispergovanja. Stabilizatori zapravo dovode do boljeg razbijanja kapljica pri konstantnoj gustoći energije.
Primjeri često korištenih emulgatora uključuju lecitin (koji se nalazi u žumancetu i sojinom zrnu), mono- i digliceride, polisorbat 80 i natrij-stearoil laktilat.
Miniemulzije, koje se mogu efikasno stvoriti ultrazvučnom obradom (sonikacijom), pospješuju hemijske reakcije. Polimerizacija makroemulzije (a) naspram polimerizacije miniemulzije (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.