Emulgiranje ultrazvučnom kavitacijom
Širok spektar srednjih i potrošačkih proizvoda – kao što su kozmetika, losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje, maziva i goriva – temelji se u potpunosti ili djelimično na emulzijama.
Hielscher proizvodi najveće industrijske ultrazvučne tečne procesore na svijetu za efikasnu emulzifikaciju velikih količina u proizvodnim postrojenjima.
Kako funkcioniše ultrazvučna emulzifikacija
Laboratorijske primjene: U laboratorijskim uslovima, emulgifikacijska moć ultrazvuka poznata je i primjenjuje se već dugo zbog različitih prednosti povezanih s ultrazvučnom homogenizacijom i emulzifikacijom.
The Technology
Pouzdana ultrazvučna emulgacija zasniva se na upotrebi ultrazvučnih sondi, poznatih i kao sonotrode. Proces funkcioniše na sljedeći način:
- Ultrazvučno spajanje: Putem ultrazvučne sonde, visokointenzivni ultrazvuk se spaja u tečnosti, stvarajući akustičnu kavitaciju.
- Efekat kavitacije: Ultrazvučna ili akustična kavitacija generiše visoke sile smicanja koje pružaju potrebnu energiju za razbijanje velikih kapljica do nano-veličine.
- Formiranje emulzije: Dvije ili više tečnih faza se miješaju u uniformnu submikronsku ili nano-emulziju.
Industrijsko skaliranje putem tehnologije protoka: Korištenje ultrazvučnih ćelija omogućava linearno skaliranje do industrijske proizvodnje nanoemulzija, obrađujući velike količine tokova u kontinuiranom protoku.
Ultrazvučna priprema prozirne nano-emulzije korištenjem UP400ST ultrasonikatora.
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!
DLS mjerenje pokazuje ravnomjernu veličinu kapljica u ultrazvučno proizvedenoj ružinoj emulziji ulje-voda.
Šta je emulzija?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.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
nano-emulzije – Primjena snage za sonatore
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.
Video ispod prikazuje proces emulgiranja ulja (žuto) u vodu (crveno) pomoću laboratorijskog ultrazvučnog aparata UP400S.
Princip rada ultrazvučne emulzifikacije
Akustična kavitacija: Pokretačka sila iza ultrazvučne emulzifikacije i nano-emulzifikacije
Ultrazvučna emulgacija se oslanja na snažne efekte akustične kavitacije, fenomena koji nastaje kada ultrazvučni talasi visokog intenziteta prolaze kroz tečnost. Tokom ovog procesa, mikroskopski mjehurići se formiraju, rastu, a zatim se nasilno urušavaju. Implozivni kolaps ovih mjehurića stvara ekstremne lokalizovane uslove, uključujući intenzivne gradijente pritiska i temperature, visoke sile smicanja, udarne talase i tečne mikro-mlazove. Ove sile efikasno razgrađuju velike čestice, kapljice i aglomerate u mnogo manje strukture.
Slika lijevo prikazuje akustičnu kavitaciju generisanu ultrazvučnim procesorom UIP1000hdT (1000 W) koji radi u staklenoj koloni ispunjenoj tečnošću.
Kako akustična kavitacija poboljšava emulzifikaciju
I u emulzifikaciji i u nano-emulzifikaciji, intenzitet kavitacije je ključni faktor u određivanju veličine kapljica. Kako se kavitacione mjehuriće urušavaju, nastali sile smicanja razbijaju veće kapljice u sve manje. Istovremeno, lokalizirane promjene pritiska i temperature podstiču formiranje novih kapljica dok pomažu u stabilizaciji emulzije.
Ova kombinacija razbijanja i stabilizacije kapljica omogućava ultrazvučnoj tehnologiji da proizvede visoko uniformne emulzije sa izuzetno finim rasporedom veličina kapljica.
Droplet size distribution of water-olive oil emulsions prepared by (a) classic homogenization method (b) ultrasonic homogenization (using the UP400S) method with MD, WPI and their mixture, having 40% dry matter with 9% oil (w/w) content. Ultrasonic emulsification results in significantly smaller droplets, less creaming and a better overall emulsion stability.
(studija i grafikoni: Zungur et al., 2015.)
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).
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline reaktor za homogenizaciju pogodan za procese (nano)emulgiranja sa visokim protokom.
| 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!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je moćan dodatak kompatibilan s Hielscher ultrazvučnim reaktorima protoka ćelija: Korištenjem umetka MPC48, dispergovana faza se ubrizgava putem 48 kanila kao tanke tečne niti u ultrazvučnu vruću zonu, gdje se dispergovana faza i kontinuirana faza miješaju u sitne kapljice u nanoemulziju.
Otkrijte kako MultiPhaseCavitator poboljšava emulgiranje!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim 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
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 mogu biti stabilne, osiguravajući da smjesa ostane homogena i zadrži željene osobine 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.
Miniemulzije, koje se mogu efikasno stvoriti ultrazvukom, pojačavaju hemijske reakcije. Makroemulziona polimerizacija (a) naspram miniemulzione polimerizacije (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.