En lang række mellemprodukter og forbrugerprodukter, såsom kosmetik og hudlotion, farmaceutiske salver, lakker, maling, smøremidler og brændstoffer, er helt eller delvis baseret på emulsioner. Hielscher fremstiller verdens største industrielle ultralyd flydende processorer til effektiv emulgering af store volumen strømme i produktionsanlæg.

Ultralyd Emulsificering

I laboratoriet har ultralydets emulgeringskraft været kendt og anvendt længe på grund af forskellige fordele, der er bundet til ultralydhomogenisering og emulgering. Pålidelig ultralydemulgering er baseret på brugen af ultralydsonder, såkaldte sonotroder. Via ultralydssonden kobles ultralyd med høj intensitet til væsker og skaber akustisk kavitation. Ultralyd eller akustisk kavitation genererer høje forskydningskræfter, som giver den nødvendige energi til at forstyrre store dråber ned til dråber i nanostørrelse. Derved blandes to eller flere flydende faser i en ensartet submikron- eller nanoemulsion.

Fordele ved ultralydemulgering

Ultralydemulgering ved hjælp af en sonde-type ultralydator giver flere fordele i forhold til andre emulgeringsteknikker:

1. Forbedret emulsionsstabilitet: Ultralydemulgering skaber mindre dråbestørrelser og mere ensartet dråbefordeling, hvilket resulterer i forbedret emulsionsstabilitet og længere holdbarhed. Submikron- og nano-størrelse dråber kan pålideligt produceres ved hjælp af effekt ultralyd.
2. Energieffektivitet: Ultralydemulgering kræver mindre energi end andre emulgeringsmetoder, hvilket gør det til en mere energieffektiv proces.
3. Skalerbarhed: Ultralydemulgering kan let skaleres op eller ned afhængigt af det krævede volumen, hvilket gør det til en alsidig proces til både laboratorie- og industrielle applikationer.
4. Tidsbesparende: Ultralydemulgering kan være en meget hurtig proces, hvor emulsioner dannes i sekunder til minutter, afhængigt af væsker, volumen og udstyr.
5. Reduceret behov for overfladeaktive stoffer: Ultralydemulgering kan reducere behovet for overfladeaktive stoffer, som ofte kræves for at stabilisere emulsioner. Med en reduceret dråbestørrelse øges imidlertid partiklens overfladeareal, og mere areal skal dækkes af et overfladeaktivt stof. Ultralydbehandling er kompatibel med næsten enhver form for overfladeaktivt middel, herunder alternative og nye emulgatorer.
6. Minimal og kontrollerbar varmeproduktion: Ultralydemulgering er en ikke-termisk proces, og varmegenerering under forarbejdning kan undgås eller reduceres i ringe grad. Derved reduceres risikoen for termisk nedbrydning af følsomme forbindelser eller ingredienser.

Samlet set gør fordelene ved ultralydemulgering ved hjælp af en sonde-type ultralydator det til et populært valg til emulgering på en række områder, herunder mad og drikke, lægemidler, kosmetik, fine kemikalier og brændstoffer.

Ultralydpræparat af en olie-i-vand (O/W) emulsion (rødt vand / gul olie). Et par sekunder sonication vende separate vand / olie faser i en fin emulsion.

 
 
Videoen nedenfor viser emulgeringsprocessen af olie (gul) i vand (rød) ved hjælp af UP400S lab ultralydator.

Hvad er en emulsion?
Emulsioner er dispersioner af to eller flere ublandbare væsker. Meget intensiv ultralyd forsyner den nødvendige effekt til at sprede en flydende fase (dispergeret fase) i små dråber i en anden fase (kontinuerlig fase). I dispergeringszonen forårsager implangerende kavitationsbobler intensive chokbølger i den omgivende væske og resulterer i dannelse af væskestråler med høj væskehastighed.

Nanoemulsioner – En strømapplikation til ultralydapparater

Nanoemulsioner er emulsioner med dråber, der typisk er mindre end 100 nanometer i størrelse. Nanoemulsioner tilbyder flere fordele i forhold til konventionelle emulsioner, herunder unikke funktionelle egenskaber, højere stabilitet, gennemsigtighed osv.
Ultralydbehandling udkonkurrerer traditionelle emulgeringsteknologier, især når det kommer til dannelsen af nanoemulsioner. Dette skyldes det meget effektive og energiintensive arbejdsprincip for ultralyd.

Arbejdsprincip for ultralydemulgering

Ultralydemulgeringsprocesser bruger kræfterne ved akustisk kavitation. Akustisk kavitation refererer til fænomenet dannelse, vækst og implosiv sammenbrud af små bobler i et flydende medium udsat for ultralydbølger med høj intensitet. Implosionen af disse bobler genererer intense lokale tryk- og temperaturgradienter, som kan skabe høje forskydningskræfter, stødbølger og mikrostråler, der kan nedbryde store partikler og agglomerater til mindre. Billedet til venstre demonstrerer ultralydkavitation genereret ved sonden af ultralydapparatet UIP1000hdT (1000 watt) i en væskefyldt glassøjle.
Ved emulgering og nanoemulgering spiller intensiteten af akustisk kavitation en kritisk rolle for at reducere størrelsen af dråber i emulsionen. Den implosive sammenbrud af kavitationsboblerne kan skabe stærke forskydningskræfter, der nedbryder større dråber til mindre. Desuden kan de lokale tryk- og temperaturgradienter, der genereres af kavitationen, også fremme dannelsen af nye dråber og stabilisere emulsionen.
Det unikke aspekt ved akustisk kavitation er dens evne til at levere lokaliseret og intens energitilførsel til det flydende medium uden behov for høje mekaniske eller termiske belastninger. Dette gør det til en attraktiv teknik til nanoemulgering, da den kan reducere den energitilførsel, der kræves til emulgeringsprocessen, samtidig med at der opnås en mindre dråbestørrelse og smallere dråbestørrelsesfordeling.
På grund af disse præcist kontrollerbare ultralydskræfter er akustisk kavitation et kraftfuldt værktøj til nanoemulgering. Dens evne til at generere lokaliseret og intens energitilførsel gør det muligt at nedbryde større dråber, der danner submikron- og nano-størrelse med en meget høj effektivitet.

Studier på olie i vand (vandfase) og vand i olie (oliefase) emulsioner har vist sammenhængen mellem energitæthed og dråbestørrelse (fx Sauter diameter). Der er en klar tendens til, at mindre dråbestørrelse på at øge energitætheden (klik på højre grafik). Ved passende energitæthedsniveauer kan ultralyd nemt og pålideligt opnå gennemsnitlige dråbestørrelser i nanoområdet.

Ultralydssonder til effektiv emulgering

Hielscher tilbyder en bred vifte af sonde-type ultralydapparater og tilbehør til effektiv emulgering og dispergering af væsker i batch og gennemstrømningstilstand.
Systemer bestående af flere ultralydsprocessorer på op til 16.000 watt hver, giver den nødvendige kapacitet til at oversætte denne lab ansøgning til en effektiv produktionsmetode til at opnå fint dispergerede emulsioner i kontinuerlig strøm eller i en batch – opnå resultater sammenlignes med dagens bedste højtrykshomogenisatorer rådighed, såsom den nye åbning ventil. Ud over denne høje effektivitet i den løbende emulgering, Hielscher ultralyds udstyr kræver meget lav vedligeholdelse og er meget nem at betjene og rengøre. Den ultralyd rent faktisk understøtter rengøring og skylning. Den ultrasoniske magt er justerbar og kan tilpasses til bestemte produkter og emulgering krav. Særlige flow celle reaktorer, der opfylder den avancerede CIP (clean-in-place) og SIP (sterilisere-in-sted) krav er til rådighed, også.