Emulgace pomocí ultrazvukové kavitace
Široká škála meziproduktů a spotřebních výrobků – jako jsou kosmetika, pleťová mléka, farmaceutické masti, laky, barvy, maziva a paliva – je zcela nebo částečně založena na emulzích.
Hielscher vyrábí největší průmyslové ultrazvukové procesory pro kapaliny na světě pro efektivní emulgaci velkoobjemových proudů ve výrobních závodech.
Jak funguje ultrazvuková emulgace
Laboratorní aplikace: V laboratorním prostředí je emulgační účinek ultrazvuku znám a využíván již dlouhou dobu díky různým výhodám spojeným s ultrazvukovou homogenizací a emulgací.
Technologie
Spolehlivá ultrazvuková emulgace je založena na použití ultrazvukových sond, známých také jako sonotrody. Proces probíhá následovně:
- Přenos ultrazvuku: Prostřednictvím ultrazvukové sondy se do kapalin přenáší ultrazvuk o vysoké intenzitě, který vytváří akustickou kavitaci.
- Kavitační efekt: Ultrazvuková neboli akustická kavitace vytváří vysoké smykové síly, které poskytují energii potřebnou k rozbití velkých kapiček až na kapičky nanometrové velikosti.
- Tvorba emulze: Dvě nebo více kapalných fází se smísí do jednotné submikronové emulze nebo nanoemulze.
Průmyslové zvětšování měřítka pomocí průtokové technologie: Použití ultrazvukových průtokových cel umožňuje lineární zvětšení měřítka až na průmyslovou výrobu nanoemulzí se zpracováním velkoobjemových proudů v kontinuálním průtokovém režimu.
Ultrazvuková příprava čiré nanoemulze pomocí sonikátoru UP400ST.
Výhody ultrazvukové emulgace
Ultrazvuková emulgace pomocí sondového sonikátoru nabízí oproti jiným emulgačním technikám několik výhod:
- Zlepšená stabilita emulze: Ultrazvuková emulgace vytváří menší kapičky a rovnoměrnější distribuci kapiček, což vede ke zlepšené stabilitě emulze a delší trvanlivosti. Pomocí výkonového ultrazvuku lze spolehlivě vyrábět kapičky submikronové a nanometrové velikosti.
- Energetická účinnost: Ultrazvuková emulgace vyžaduje méně energie než jiné emulgační metody, což z ní činí energeticky účinnější proces.
- Škálovatelnost: Ultrazvukovou emulgaci lze snadno škálovat směrem nahoru i dolů v závislosti na požadovaném objemu, což z ní činí univerzální proces pro laboratorní i průmyslové aplikace.
- Úspora času: Ultrazvuková emulgace může být velmi rychlý proces, při němž se emulze tvoří během sekund až minut v závislosti na kapalinách, objemu a zařízení.
- Snížená potřeba povrchově aktivních látek: Ultrazvuková emulgace může snížit potřebu povrchově aktivních látek, které jsou často nutné ke stabilizaci emulzí. Se zmenšením velikosti kapiček se však zvětšuje povrch částice a povrchově aktivní látkou musí být pokryta větší plocha. Sonikace je kompatibilní s téměř jakýmkoli druhem povrchově aktivní látky včetně alternativních a nových emulgátorů.
- Minimální a kontrolovatelný vznik tepla: Ultrazvuková emulgace je netermický proces a vzniku tepla během zpracování lze zabránit nebo jej v malé míře snížit. Tím se snižuje riziko tepelné degradace citlivých sloučenin nebo složek.
Díky výhodám ultrazvukové emulgace pomocí sondového sonikátoru je tato metoda vynikající volbou pro emulgaci v řadě oborů, včetně potravin a nápojů, farmaceutik, kosmetiky, jemných chemikálií a paliv.
Přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci majonézy!
Přečtěte si více o výrobě emulzí parafinového vosku pomocí sonikace!
Přečtěte si více o emulzích vody v naftě vyráběných pomocí ultrazvuku!
Měření DLS ukazuje rovnoměrnou distribuci velikosti kapiček ultrazvukem připravené emulze růžového oleje ve vodě.
Co je emulze?Emulze jsou disperze dvou nebo více nemísitelných kapalin. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává energii potřebnou k dispergaci jedné kapalné fáze (dispergované fáze) ve formě malých kapiček ve druhé fázi (spojité fázi). V dispergační zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou ke vzniku kapalinových proudů o vysoké rychlosti kapaliny.
Nanoemulze – výkonná aplikace pro sonikátory
Nanoemulze jsou emulze s kapičkami, jejichž velikost je obvykle menší než 100 nanometrů. Nanoemulze nabízejí oproti konvenčním emulzím několik výhod, včetně jedinečných funkčních vlastností, vyšší stability, průhlednosti atd.
Sonikace překonává tradiční emulgační technologie zejména při tvorbě nanoemulzí. Je to dáno vysoce účinným a energeticky intenzivním principem fungování ultrazvuku.
Níže uvedené video ukazuje proces emulgace oleje (žlutý) do vody (červená) pomocí laboratorního sonikátoru UP400S.
Princip fungování ultrazvukové emulgace
Akustická kavitace: hnací síla ultrazvukové emulgace a nanoemulgace
Ultrazvuková emulgace se opírá o silné účinky akustické kavitace, jevu, který nastává, když kapalinou procházejí ultrazvukové vlny o vysoké intenzitě. Během tohoto procesu vznikají mikroskopické bubliny, 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 kapalinových mikroproudů. Tyto síly účinně rozbíjejí velké částice, kapičky a aglomeráty na mnohem menší struktury.
Obrázek vlevo znázorňuje akustickou kavitaci vytvářenou ultrazvukovým procesorem UIP1000hdT (1000 W) pracujícím ve skleněné koloně naplněné kapalinou.
Jak akustická kavitace zlepšuje emulgaci
Při emulgaci i 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 pomáhají stabilizovat emulzi.
Tato kombinace rozrušování a stabilizace kapiček umožňuje ultrazvukové technologii vyrábět vysoce uniformní emulze s výjimečně jemnou distribucí velikosti kapiček.
Distribuce velikosti kapiček emulzí vody a olivového oleje připravených (a) klasickou homogenizační metodou (b) metodou ultrazvukové homogenizace (s použitím UP400S) s MD, WPI a jejich směsí, s 40 % sušiny a obsahem oleje 9 % (w/w). Ultrazvuková emulgace vede k výrazně menším kapičkám, menšímu krémování a celkově lepší stabilitě emulze.
(studie a grafy: Zungur et al., 2015)
Ultrazvukové sondy pro efektivní emulgaci
Hielscher nabízí širokou škálu sondových sonikátorů a příslušenství pro efektivní emulgaci a dispergaci kapalin v dávkovém a průtokovém režimu.
Systémy sestávající z několika ultrazvukových procesorů o výkonu až 16 000 wattů každý poskytují kapacitu potřebnou k převedení této laboratorní aplikace na efektivní výrobní metodu pro získání jemně dispergovaných emulzí v kontinuálním průtoku nebo v dávce – s výsledky srovnatelnými s dnešními nejlepšími dostupnými vysokotlakými homogenizátory, jako je nový clonový ventil. Kromě této vysoké účinnosti při kontinuální emulgaci vyžadují ultrazvuková zařízení Hielscher velmi nízkou údržbu a jejich obsluha i čištění jsou velmi snadné. Ultrazvuk čištění a oplachování dokonce podporuje. Výkon ultrazvuku je nastavitelný a lze jej přizpůsobit konkrétním produktům a požadavkům na emulgaci. K dispozici jsou také speciální reaktory s průtokovou celou, které splňují pokročilé požadavky CIP (clean-in-place) a SIP (sterilize-in-place).
MultiSonoReactor MSR-4 je průmyslový inline homogenizační reaktor vhodný pro procesy (nano)emulgace s vysokou zpracovatelskou kapacitou.
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je výkonné příslušenství kompatibilní s ultrazvukovými reaktory s průtokovou celou Hielscher: pomocí vložky MPC48 se dispergovaná fáze vstřikuje 48 kanylami v podobě tenkých pramenů kapaliny do ultrazvukové horké zóny, kde se dispergovaná a spojitá fáze mísí ve formě nepatrných kapiček do nanoemulze.
Zjistěte, jak MultiPhaseCavitator zlepšuje emulgaci!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro aplikace míchání, dispergace, emulgace a extrakce v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Literatura / Odkazy
- 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
Užitečná fakta
Definice pojmu „emulze“
Emulze je směs dvou nebo více nemísitelných kapalin, jako je olej a voda.
Emulze mohou být buď typu olej ve vodě (kdy jsou kapičky oleje dispergovány ve vodě), nebo voda v oleji (kdy jsou kapičky vody dispergovány v oleji). Emulze se používají v řadě aplikací, včetně potravinářských výrobků (jako jsou salátové dresinky a majonéza), kosmetiky (jako jsou pleťová mléka a krémy) a farmaceutik (jako jsou vakcíny).
Emulgátor působí tak, že snižuje povrchové napětí mezi dvěma nemísitelnými látkami (jako je olej a voda) v emulzi. Tím se snižuje tendence obou látek k oddělování a umožňuje se jim vytvořit stabilní směs.
Jak se emulze stabilizuje?
Emulze se stabilizuje tím, že se zabrání koalescenci dispergované fáze (kapiček jedné kapaliny) a jejímu oddělení od spojité fáze (okolní kapaliny). K dosažení stability emulzí je třeba zohlednit několik klíčových bodů:
- Emulgátory (povrchově aktivní látky):
– Úloha: Emulgátory jsou molekuly, které mají hydrofilní (vodu přitahující) i hydrofobní (vodu odpuzující) konec.
– Působení: Snižují povrchové napětí mezi oběma nemísitelnými kapalinami a vytvářejí kolem kapiček ochrannou vrstvu, která brání jejich koalescenci.
– Příklady: Lecitin, polysorbáty a stearoyllaktylát sodný. - Mechanické metody:
Vysoce výkonné míchání: Použití vysokosmykových míchadel nebo homogenizátorů k rozbití kapiček na menší velikosti, čímž se zvětšuje povrch a zvyšuje stabilita. Sondové sonikátory představují vynikající a velmi spolehlivou metodu využívající sonomechanické smykové síly. Tyto ultrazvukové smykové síly rozbíjejí velké kapičky na nepatrné kapičky a mísí nemísitelné fáze do stabilní emulze. - Modifikátory viskozity:
Zahušťovadla: Zvýšení viskozity spojité fáze může zpomalit pohyb kapiček, a tím snížit pravděpodobnost koalescence.
– Příklady: Xanthanová guma, guarová guma a karboxymethylcelulóza. - Stabilizační činidla:
– Polymery: Polymery mohou zajistit sterickou stabilizaci vytvořením silné vrstvy kolem kapiček.
– Příklady: Pektin, želatina a některé bílkoviny. - Elektrostatická stabilizace:
– Náboj: Některé emulgátory udělují povrchu kapiček elektrický náboj, který způsobuje jejich vzájemné odpuzování, a tím snižuje koalescenci.
– Příklady: Kaseinát sodný a sójový lecitin. - Regulace teploty:
– Chlazení: Snížení teploty může zvýšit viskozitu spojité fáze a snížit kinetickou energii kapiček, čímž se zabrání koalescenci.
– Zabránění fázové separaci: Zajištění, aby teplota zůstala v rozmezí, které brání oddělování složek. - Přísady:
– Antioxidanty: Zabránění oxidaci může pomoci zachovat integritu emulgátoru a dalších složek.
– Chelatační činidla: Vázání kovových iontů, které by jinak mohly destabilizovat emulzi.
Při použití správné emulgační techniky lze emulze stabilizovat, takže směs zůstává homogenní a v průběhu času si zachovává požadované vlastnosti.
Stabilizující emulgátory
Obecně platí, že emulze vyžadují stabilizaci pomocí emulgačního činidla 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 s olejovou i vodní fází emulze. Hydrofilní část molekuly emulgátoru se váže na molekuly vody, zatímco hydrofobní část se váže na molekuly oleje.
Obklopením olejových kapiček molekulami emulgátoru vytváří emulgátor kolem kapiček ochrannou vrstvu, která brání jejich vzájemnému kontaktu a koalescenci (spojování) do větších kapiček. To pomáhá udržet emulzi stabilní a zabraňuje separaci.
Protože koalescence kapiček po jejich rozrušení ovlivňuje výslednou distribuci velikosti kapiček, používají se účinně stabilizující emulgátory k udržení výsledné distribuce velikosti kapiček na úrovni, která odpovídá distribuci bezprostředně po rozrušení kapiček v ultrazvukové dispergační zóně. Stabilizátory ve skutečnosti vedou ke zlepšenému rozrušování kapiček při konstantní hustotě energie.
Mezi příklady běžně používaných emulgátorů patří lecitin (který se nachází ve vaječných žloutcích a sójových bobech), mono- a diglyceridy, polysorbát 80 a stearoyllaktylát sodný.
Miniemulze, které lze efektivně vytvářet sonikací, zlepšují chemické reakce. Makroemulzní polymerace (a) versus miniemulzní polymerace (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorních až po průmyslové velikosti.