Emulgace ultrazvukovou kavitací
Široká škála meziproduktů a spotřebních výrobků, jako jsou kosmetika a pleťové vody, farmaceutické masti, laky, barvy a maziva a paliva, je založena zcela nebo zčásti na emulzích. Hielscher vyrábí největší průmyslové ultrazvukové kapalné procesory na světě pro účinnou emulgaci velkých objemových toků ve výrobních závodech.
ultrazvukové emulgace
V laboratoři je emulgační síla ultrazvuku známa a používána již dlouho kvůli různým výhodám, které jsou spojeny s ultrazvukovou homogenizací a emulgací. Spolehlivá ultrazvuková emulgace je založena na použití ultrazvukových sond, takzvaných sonotrod. Prostřednictvím ultrazvukové sondy je ultrazvuk s vysokou intenzitou spojen s kapalinami a vytváří akustickou kavitaci. Ultrazvuková nebo akustická kavitace vytváří vysoké smykové síly, které poskytují potřebnou energii k narušení velkých kapiček až po kapičky nano-velikosti. Tím se dvě nebo více kapalných fází smísí do jednotné submikronové nebo nanoemulze.
Ultrasonicators jsou spolehlivé a efektivní při výrobě submikron- a nano-velké emulze.
Výhody ultrazvukové emulgace
Ultrazvuková emulgace pomocí ultrazvuku typu sondy nabízí několik výhod oproti jiným emulgačním technikám:
- Vylepšená stabilita emulze: Ultrazvuková emulgace vytváří menší velikosti kapiček a rovnoměrnější distribuci kapiček, což má za následek lepší stabilitu emulze a delší trvanlivost. Submikronové a nano-velké kapičky mohou být spolehlivě vyrobeny pomocí ultrazvuku.
- Energetická účinnost: Ultrazvuková emulgace vyžaduje méně energie než jiné metody emulgace, což z něj činí energeticky účinnější proces.
- Škálovatelnost: Ultrazvuková emulgace může být snadno zvětšena nebo snížena v závislosti na požadovaném objemu, což z něj činí všestranný 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. Při zmenšené velikosti kapiček se však povrch částice zvětšuje a větší plocha musí být pokryta povrchově aktivní látkou. Ultrazvuku je kompatibilní s téměř jakýmkoliv druhem povrchově aktivní látky, včetně alternativních a nových emulgátorů.
- Minimální a regulovatelná tvorba tepla: Ultrazvuková emulgace je netepelný proces a generování tepla během zpracování lze vyhnout nebo snížit na malou míru. Tím se snižuje riziko tepelného rozkladu citlivých sloučenin nebo složek.
Celkově výhody ultrazvukové emulgace pomocí sondy typu ultrasonicator z něj činí oblíbenou volbu pro emulgaci v různých oblastech, včetně potravin a nápojů, léčiv, kosmetiky, jemných chemikálií a paliv.
Ultrazvuková příprava emulze oleje ve vodě (O/W) (červená voda / žlutý olej). Několik sekund použití ultrazvuku zase samostatné vody / oleje fáze do jemné emulze.
Video níže ukazuje proces emulgace oleje (žlutá) do vody (červená) pomocí laboratoře UP400S ultrasonicator.
Co je emulze?Emulze jsou disperze dvou nebo více nemísitelných kapalin. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává energii potřebnou k rozptýlení kapalné fáze (disperzní fáze) do malých kapiček ve druhé fázi (kontinuální fáze). V disperzní zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v obklopující kapalině a výsledkem je tvorba proudů kapaliny s vysokou rychlostí kapaliny.
Miniemulze, které mohou být účinně vytvořeny ultrazvukem, zvyšují chemické reakce. Makroemulzní polymerace (a) versus miniemulzní polymerace (b) [Schork et al. 2005: 136]
Nano-Emulze – Energetická aplikace pro ultrasonicators
Nanoemulze jsou emulze s kapičkami, které jsou typicky menší než 100 nanometrů. Nanoemulze nabízejí několik výhod oproti konvenčním emulzím, včetně jedinečných funkčních vlastností, vyšší stability, průhlednosti atd.
Ultrazvuku překonává tradiční emulgační technologie, zejména pokud jde o tvorbu nanoemulzí. To je způsobeno vysoce účinným a energeticky náročným pracovním principem ultrazvuku.
Pracovní princip ultrazvukové emulgace
Ultrazvukové emulgační procesy využívají síly akustické kavitace. Akustická kavitace se týká fenoménu tvorby, růstu a implozivního kolapsu malých bublin v kapalném médiu vystavených vysoce intenzivním ultrazvukovým vlnám. Imploze těchto bublin vytváří intenzivní lokální tlakové a teplotní gradienty, které mohou vytvářet vysoké smykové síly, rázové vlny a mikrotrysky, které mohou rozkládat velké částice a aglomeráty na menší. Obrázek vlevo demonstruje ultrazvukovou kavitaci generovanou na sondě ultrasonicator UIP1000hdT (1000 wattů) v kapalné skleněné koloně.
Při emulgaci a nanoemulzifikaci hraje intenzita akustické kavitace kritickou roli při snižování velikosti kapiček v emulzi. Imlozivní kolaps kavitačních bublin může vytvořit silné smykové síly, které rozkládají větší kapičky na menší. Navíc lokální tlakové a teplotní gradienty generované kavitací mohou také podporovat tvorbu nových kapiček a stabilizovat emulzi.
Jedinečným aspektem akustické kavitace je její schopnost poskytovat lokalizovaný a intenzivní vstup energie do kapalného média bez nutnosti vysokého mechanického nebo tepelného namáhání. To z něj činí atraktivní techniku pro nanoemulgaci, protože může snížit energetický vstup potřebný pro proces emulgace a zároveň dosáhnout menší velikosti kapiček a užší distribuce velikosti kapiček.
Díky těmto přesně kontrolovatelným ultrazvukovým silám je akustická kavitace výkonným nástrojem pro nanoemulgaci. Jeho schopnost generovat lokalizovaný a intenzivní vstup energie umožňuje rozkládat větší kapičky a vytvářet submikrony a nano s velmi vysokou účinností.
Studium na olej ve vodě (vodní fáze) a voda v oleji (olejové fáze) emulze ukázaly korelaci mezi hustotou energie a velikosti kapek (např. Průměr Sauter). Existuje jasná tendence k menší velikosti kapičky na zvýšení energetické hustoty (klikněte v pravém obrázku). Při vhodných úrovních hustoty energie může ultrazvuk snadno a spolehlivě dosáhnout střední velikosti kapiček v nano-rozsahu.
Ultrazvukové sondy pro účinnou emulgaci
Hielscher nabízí širokou škálu ultrazvukových zařízení typu sondy a příslušenství pro účinnou emulgaci a dispergaci kapalin v dávkovém a průtokovém režimu.
Systémy sestávající z několika ultrazvukových procesorů až do 16 000 wattů poskytují kapacitu potřebnou k převodu této laboratorní aplikace do efektivní výrobní metody pro získání jemně rozptýlených emulzí v kontinuálním toku nebo v dávce – dosažení srovnatelných výsledků jako v dnešní nejlepší vysokotlaké homogenizátory k dispozici, jako je nová výpust ventilu. Kromě této vysoké účinnosti v nepřetržitém emulgování, Hielscher ultrazvukové zařízení vyžadují velmi nízké nároky na údržbu a jsou velmi snadno ovladatelné a čistit. Ultrazvuk se skutečně podporuje čištění a oplachování. Ultrazvuková energie je nastavitelná a mohou být přizpůsobeny pro konkrétní výrobky a požadavků emulgačními. Zvláštní tok buněk reaktory splňují pokročilé CIP (clean-in-place) a SIP (sterilizovat-in-place) požadavky jsou k dispozici také.
MultiSonoReactor MSR-4 je průmyslový inline homogenizační reaktor vhodný pro (nano)emulgační procesy s vysokou propustností.
| Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
|---|---|---|
| 00,5 až 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000ml | 20 až 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
| na | větší | hrozen UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!
Hielscher Ultrazvuk vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakce v laboratoři, 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.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
- F. Joseph Schork; Yingwu Luo; Wilfred Smulders; James P. Russum; Alessandro Butté; Kevin Fontenot (2005): Miniemulsion Polymerization. Adv Polym Sci (2005) 175: 129–255.
Fakta Worth Knowing
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 rozptýleny ve vodě) nebo voda v oleji (kde jsou kapičky vody rozptýleny 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 obou látek k oddělení a umožňuje jim vytvořit stabilní směs.
Stabilizační emulgátory
Obecně platí, že emulze vyžadují stabilizaci pomocí emulgačního činidla nebo povrchově aktivní látky. Emulgátory jsou amfifilní - přitahují jak vodu, tak tukové látky. To znamená, že mají hydrofilní (vodu milující) a hydrofobní (olej-milující) vlastnosti, které jim umožňují 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.
Obklopením kapiček oleje molekulami emulgátoru emulgátor vytváří ochrannou vrstvu kolem kapiček, která zabraňuje jejich vzájemnému kontaktu a splynutí (spojení) za vzniku větších kapiček. To pomáhá udržovat emulzi stabilní a zabraňuje separaci.
Vzhledem k tomu, že koalescence kapiček po narušení ovlivňuje konečnou distribuci velikosti kapiček, používají se účinně stabilizační emulgátory k udržení konečné distribuce velikosti kapiček na úrovni, která se rovná distribuci bezprostředně po narušení kapiček v ultrazvukové dispergační zóně. Stabilizátory ve skutečnosti vedou ke zlepšení narušení kapiček při konstantní hustotě energie.
Příklady běžně používaných emulgátorů zahrnují lecitin (který se nachází ve vaječných žloutkech a sójových bobech), mono- a diglyceridy, polysorbát 80 a stearoyllaktylát sodný.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.