Emulgace ultrazvukovou kavitací
Široký sortiment polotovarů a spotřebního zboží – jako jsou kosmetika, pleťové krémy, farmaceutické masti, laky, barvy, maziva a paliva – jsou zcela nebo zčásti založeny na emulzích.
Společnost Hielscher vyrábí největší průmyslové ultrazvukové zařízení na zpracování kapalin na světě, určené k efektivní emulgaci velkoobjemových toků ve výrobních závodech.
Jak funguje ultrazvuková emulgace
Laboratorní použití: V laboratorních podmínkách je emulgační schopnost ultrazvuku známa a využívána již dlouhou dobu díky řadě výhod spojených s ultrazvukovou homogenizací a emulgací.
Technologie
Spolehlivá ultrazvuková emulgace je založena na použití ultrazvukových sond, známých také jako sonotrody. Proces probíhá následovně:
- Ultrazvuková kontaktní pasta: Prostřednictvím ultrazvukové sondy se do kapalin přivádí ultrazvuk vysoké intenzity, čímž dochází k akustické kavitaci.
- Kavitační efekt: Ultrazvuková nebo akustická kavitace vytváří vysoké smykové síly, které dodávají energii potřebnou k rozbití velkých kapek na kapky o velikosti v řádu nanometrů.
- Tvorba emulze: Dvě nebo více kapalných fází se smíchají do jednotné submikronové nebo nanoemulze.
Průmyslové rozšíření výroby pomocí průtočné technologie: Použití ultrazvukových průtokových komor umožňuje lineární škálování až k průmyslové výrobě nanoemulzí a zpracování velkých objemů v nepřetržitém průtokovém režimu.
Ultrazvuková příprava čiré nanoemulze pomocí ultrazvukového přístroje UP400ST.
Výhody ultrazvukové emulgace
Ultrazvuková emulgace pomocí ultrazvukového analyzátoru typu sondy nabízí několik výhod oproti jiným emulgačním technikám:
- Zlepšená stabilita emulze: Ultrazvuková emulgace vytváří menší velikosti kapiček a rovnoměrnější distribuci kapiček, což má za následek zlepšenou stabilitu emulze a delší trvanlivost. Submikronové a nano kapičky lze spolehlivě produkovat pomocí výkonového ultrazvuku.
- Energetická účinnost: Ultrazvuková emulgace vyžaduje méně energie než jiné metody emulgace, což z ní činí energeticky účinnější proces.
- Škálovatelnost: Ultrazvukovou emulgaci lze snadno škálovat nahoru nebo dolů v závislosti na požadovaném objemu, což z ní činí univerzální proces pro laboratorní i průmyslové aplikace.
- Časově úsporný: Ultrazvuková emulgace může být velmi rychlý proces, přičemž emulze se tvoří během několika sekund až minut, v závislosti na kapalinách, objemu a vybavení.
- Snížená potřeba povrchově aktivních látek: Ultrazvuková emulgace může snížit potřebu povrchově aktivních látek, které jsou často nutné ke stabilizaci emulzí. Se sníženou velikostí kapek se však povrch částice zvětšuje a povrchově aktivní látka musí pokrýt větší plochu. Ultrazvuku je kompatibilní s téměř jakýmkoli druhem povrchově aktivní látky, včetně alternativních a nových emulgátorů.
- Minimální a kontrolovatelný vývin tepla: Ultrazvuková emulgace je netepelný proces a tvorbě tepla během zpracování lze zabránit nebo ji v malé míře snížit. Tím se snižuje riziko tepelné degradace citlivých sloučenin nebo přísad.
Výhody ultrazvukové emulgace pomocí ultrazvukového přístroje typu sondy z něj činí vynikající volbu pro emulgaci v různých oblastech, včetně potravin a nápojů, léčiv, kosmetiky, jemných chemikálií a paliv.
Přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci majonézy!
Přečtěte si více o výrobě emulzí z parafínového vosku pomocí ultrazvuku!
Přečtěte si více o Emulze Water-in-Diesel vyráběné ultrazvukem!
Měření metodou DLS ukazuje rovnoměrné rozložení velikosti kapiček u ultrazvukem připravené emulze typu „olej ve vodě“ z růžového oleje.
Co je to emulze?Emulze jsou disperze dvou nebo více nemísitelných kapalin. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává energii potřebnou k dispergaci kapalné fáze (dispergovaná fáze) v malých kapičkách ve druhé fázi (kontinuální fáze). V disperzní zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou k tvorbě kapalných paprsků s vysokou rychlostí kapaliny.
Nanoemulze – Využití ultrazvukových zařízení
Nanoemulze jsou emulze s kapičkami, které jsou obvykle menší než 100 nanometrů. Nanoemulze nabízejí oproti klasickým emulzím několik výhod, mezi které patří unikátní funkční vlastnosti, vyšší stabilita, průhlednost atd.
Ultrazvuku překonává tradiční emulgační technologie, zejména pokud jde o tvorbu nanoemulzí. To je způsobeno vysoce účinným a energeticky náročným pracovním principem ultrazvuku.
Níže uvedené video ukazuje proces emulgace oleje (žlutá) na vodu (červená) pomocí laboratorního ultrazvuku UP400S.
Princip činnosti ultrazvukové emulgace
Akustická kavitace: hnací síla ultrazvukové a nanoemulgace
Ultrazvuková emulgace využívá silné účinky akustické kavitace, jevu, k němuž dochází, když kapalinou procházejí ultrazvukové vlny vysoké intenzity. Během tohoto procesu se tvoří mikroskopické bublinky, které rostou a poté prudce kolabují. Implozivní kolaps těchto bublin vytváří extrémní lokální podmínky, včetně intenzivních tlakových a teplotních gradientů, vysokých smykových sil, rázových vln a mikroproudů kapaliny. Tyto síly účinně rozkládají velké částice, kapičky a aglomeráty na mnohem menší struktury.
Obrázek vlevo znázorňuje akustickou kavitaci vyvolanou ultrazvukovým procesorem UIP1000hdT (1000 W) pracujícím ve skleněné kolonce naplněné kapalinou.
Jak akustická kavitace zlepšuje emulgaci
Jak při emulgaci, tak při nanoemulgaci je intenzita kavitace klíčovým faktorem určujícím velikost kapiček. Při kolapsu kavitačních bublin rozbíjejí vznikající smykové síly větší kapičky na stále menší. Současně lokální změny tlaku a teploty podporují tvorbu nových kapiček a zároveň přispívají ke stabilizaci emulze.
Díky této kombinaci rozrušování a stabilizace kapiček umožňuje ultrazvuková technologie vytvářet vysoce homogenní emulze s mimořádně jemným rozložením velikosti kapiček.
Rozložení velikosti kapiček ve vodno-olivových emulzích připravených (a) klasickou homogenizační metodou a (b) ultrazvukovou homogenizací (za použití přístroje UP400S) s použitím MD, WPI a jejich směsi, s 40 % sušiny a 9 % obsahem oleje (hmotnostní). Ultrazvuková emulgace vede k výrazně menším kapičkám, menšímu oddělování a celkově lepší stabilitě emulze.
(studie a grafy: Zungur et al., 2015)
Ultrazvukové sondy pro účinnou emulgaci
Hielscher nabízí širokou škálu ultrazvukových přístrojů typu sondy a příslušenství pro účinnou emulgaci a dispergaci kapalin v dávkovém a průtokovém režimu.
Systémy skládající se z několika ultrazvukových procesorů, z nichž každý má výkon až 16 000 wattů, poskytují kapacitu potřebnou k převedení této laboratorní aplikace do efektivní výrobní metody pro získání jemně dispergovaných emulzí v kontinuálním toku nebo v dávce – dosažení výsledků srovnatelných s dnešními nejlepšími dostupnými vysokotlakými homogenizátory, jako je například nový clonový ventil. Kromě této vysoké účinnosti při kontinuální emulgaci vyžadují ultrazvuková zařízení Hielscher velmi nízkou údržbu a jsou velmi snadno ovladatelná a čistitelná. Ultrazvuk ve skutečnosti podporuje čištění a oplachování. Ultrazvukový výkon je nastavitelný a lze jej přizpůsobit konkrétním produktům a požadavkům na emulgaci. K dispozici jsou také speciální reaktory s průtočnou buňkou, které splňují pokročilé požadavky CIP (clean-in-place) a SIP (sterilize-in-place).
MultiSonoReactor MSR-4 je průmyslový inline homogenizační reaktor vhodný pro (nano-)emulgační procesy s vysokou výkonností.
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je výkonné příslušenství kompatibilní s ultrazvukovými průtokovými reaktory společnosti Hielscher: Pomocí vložky MPC48 se disperzní fáze vstřikuje prostřednictvím 48 kanyl v podobě tenkých pramínků kapaliny do ultrazvukové horké zóny, kde se disperzní fáze a kontinuální fáze smísí ve formě nepatrných kapiček do nanoemulze.
Zjistěte, jak zařízení MultiPhaseCavitator zlepšuje emulgaci!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
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
Fakta, která stojí za to vědět
Definice pojmu “emulze”
Emulze je směs dvou nebo více nemísitelných kapalin, jako je olej a voda.
Emulze mohou být buď olej ve vodě (kde jsou kapičky oleje dispergovány ve vodě) nebo voda v oleji (kde jsou kapičky vody dispergovány v oleji). Emulze se používají v různých aplikacích, včetně potravinářských výrobků (jako jsou salátové dresinky a majonéza), kosmetiky (jako jsou pleťové vody a krémy) a léčiv (jako jsou vakcíny).
Emulgátor funguje tak, že snižuje povrchové napětí mezi dvěma nemísitelnými látkami (jako je olej a voda) v emulzi. To snižuje tendenci těchto dvou látek oddělovat se a umožňuje jim vytvořit stabilní směs.
Jak je emulze stabilní?
Emulze se stabilizuje tím, že se zabrání tomu, aby dispergovaná fáze (kapičky jedné kapaliny) sloazela a oddělila se od kontinuální fáze (okolní kapalina). Pro dosažení stability emulzí je třeba vzít v úvahu několik klíčových bodů:
- Emulgátory (povrchově aktivní látky):
– Role: Emulgátory jsou molekuly, které mají jak hydrofilní (přitahující vodu), tak hydrofobní (odpuzující vodu) konce.
– Akce: Snižují povrchové napětí mezi dvěma nemísitelnými kapalinami a vytvářejí kolem kapiček ochrannou vrstvu, která zabraňuje jejich srůstání.
– Příklady: Lecitin, polysorbáty a stearoyllaktylát sodný. - Mechanické metody:
Vysoce výkonné míchání: Použití mixérů s vysokým střihem nebo homogenizátorů k rozbití kapek na menší velikosti, zvětšení povrchu a zvýšení stability. Sonikátory typu sondy jsou vynikající a velmi spolehlivou metodou využívající sonomechanické smykové síly. Tyto ultrazvukové smykové síly rozbíjejí velké kapky na nepatrné kapičky a mísí nemísitelné fáze do stabilní emulze. - Modifikátory viskozity:
Zahušťovadla: Zvýšení viskozity kontinuální fáze může zpomalit pohyb kapiček, čímž se sníží pravděpodobnost koalescence.
– Příklady: Xanthanová guma, guarová guma a karboxymethylcelulóza. - Stabilizační činidla:
– Polymery: Polymery mohou poskytnout sterickou stabilizaci vytvořením silné vrstvy kolem kapiček.
– Příklady: Pektin, želatina a některé bílkoviny. - Elektrostatická stabilizace:
– Nabít: Některé emulgátory dodávají povrchu kapiček elektrický náboj, což způsobuje, že se navzájem odpuzují a tím snižují koalescenci.
– Příklady: Kaseinát sodný a sójový lecitin. - Regulace teploty:
– Chlazení: Snížení teploty může zvýšit viskozitu kontinuální fáze a snížit kinetickou energii kapiček, čímž se zabrání koalescenci.
– Zamezení fázové separace: Zajištění toho, aby teplota zůstala v rozmezí, které zabraňuje oddělení součástí. - Aditiva:
– Antioxidanty: Prevence oxidace může pomoci zachovat integritu emulgátoru a dalších složek.
– Chelatační činidla: Vázání kovových iontů, které by jinak mohly destabilizovat emulzi.
Použitím správné techniky emulgace lze emulze učinit stabilními, čímž se zajistí, že směs zůstane homogenní a zachová si požadované vlastnosti v průběhu času.
Stabilizační emulgátory
Obecně platí, že emulze vyžadují stabilizaci pomocí emulgátoru nebo povrchově aktivní látky. Emulgátory jsou amfifilní – přitahují vodu i tukové látky. To znamená, že mají hydrofilní (vodu milující) a hydrofobní (olej milující) vlastnosti, což jim umožňuje interagovat jak s olejovou, tak s vodní fází emulze. Hydrofilní část molekuly emulgátoru se váže na molekuly vody, zatímco hydrofobní část se váže na molekuly oleje.
Tím, že emulgátor obklopí kapičky oleje molekulami emulgátoru, vytvoří kolem kapiček ochrannou vrstvu, která zabrání tomu, aby se dostaly do vzájemného kontaktu a spojily se (spojily se) a vytvořily větší kapičky. To pomáhá udržovat emulzi stabilní a zabraňuje oddělení.
Vzhledem k tomu, že koalescence kapiček po narušení ovlivňuje konečnou distribuci velikosti kapek, používají se účinně stabilizující emulgátory k udržení konečné distribuce velikosti kapek na úrovni, která se rovná distribuci bezprostředně po narušení kapek v ultrazvukové dispergační zóně. Stabilizátory ve skutečnosti vedou ke zlepšení narušení kapek při konstantní hustotě energie.
Příklady běžně používaných emulgátorů zahrnují lecitin (který se nachází ve vaječných žloutcích a sójových bobech), mono- a diglyceridy, polysorbát 80 a stearoyllaktylát sodný.
Miniemulze, které mohou být účinně vytvořeny ultrazvukem, zvyšují chemické reakce. Makroemulzní polymerace (a) versus miniemulzní polymerace (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.