Emulgering ved ultralydskavitation
En bred vifte af mellem- og forbrugerprodukter, såsom kosmetik og hudlotion, farmaceutiske salver, lakker, maling og smøremidler og brændstoffer, er helt eller delvist baseret på emulsioner. Hielscher fremstiller verdens største industrielle ultralydsvæskeprocessorer til effektiv emulgering af store volumenstrømme i produktionsanlæg.
Ultralyd emulgering
I laboratoriet har ultralydens emulgeringskraft været kendt og anvendt længe på grund af forskellige fordele, der er knyttet til ultralydshomogenisering og emulgering. Pålidelig ultralydsemulgering er baseret på brugen af ultralydssonder, 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 til en ensartet submikron- eller nano-emulsion.
Brug af ultralydsflowceller giver mulighed for lineær opskalering til industriel produktion af nanoemulsioner, der behandler store volumenstrømme i kontinuerlig gennemstrømning.
MultiPhaseCavitator: Den unikke Hielscher flowcelleindsats MPC48 er et kraftfuldt tilbehør, der er kompatibelt med Hielscher ultralydsflowcellereaktorer. Ved hjælp af indsatsen MPC48 injiceres den dispergerede fase via 48 kanyler som tynde væskestrenge ind i ultralydsvarmezonen, hvor den dispergerede fase og den kontinuerlige fase blandes som små dråber til en nanoemulsion. Læs mere om ultralydsflowcelleindsatsen MPC48!
Ultralydapparater er pålidelige og effektive til fremstilling af submikron- og nano-størrelse emulsioner.
Fordele ved ultralydsemulgering
Ultralydsemulgering ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat giver flere fordele i forhold til andre emulgeringsteknikker:
- Forbedret emulsionsstabilitet: Ultralydsemulgering skaber mindre dråbestørrelser og mere ensartet dråbefordeling, hvilket resulterer i forbedret emulsionsstabilitet og længere holdbarhed. Dråber i submikron- og nanostørrelse kan produceres pålideligt ved hjælp af ultralyd.
- Energieffektivitet: Ultralydsemulgering kræver mindre energi end andre emulgeringsmetoder, hvilket gør det til en mere energieffektiv proces.
- Skalerbarhed: Ultralydsemulgering kan nemt skaleres op eller ned afhængigt af det krævede volumen, hvilket gør det til en alsidig proces til både laboratorie- og industrielle applikationer.
- Tidsbesparende: Ultralydsemulgering kan være en meget hurtig proces, hvor emulsioner dannes i sekunder til minutter, afhængigt af væsker, volumen og udstyr.
- Reduceret behov for overfladeaktive stoffer: Ultralydsemulgering kan reducere behovet for overfladeaktive stoffer, som ofte er nødvendige for at stabilisere emulsioner. Men med en reduceret dråbestørrelse øges 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.
- Minimal og kontrollerbar varmeudvikling: Ultralydsemulgering er en ikke-termisk proces, og varmeudvikling under behandlingen kan undgås eller reduceres i lille grad. Derved reduceres risikoen for termisk nedbrydning af følsomme forbindelser eller ingredienser.
Fordelene ved ultralydsemulgering ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat gør det til et fremragende valg til emulgering inden for en række områder, herunder mad og drikke, lægemidler, kosmetik, fine kemikalier og brændstoffer.
Læs mere om ultralydsmayonnaise-emulgering!
Læs mere om produktion af paraffinvoksemulsioner ved hjælp af sonikering!
Læs mere om Vand-i-diesel-emulsioner produceret ved hjælp af ultralyd!
Ultralydsfremstilling af en olie-i-vand (O / W) emulsion (rødt vand / gul olie). Et par sekunders sonikering gør de separate vand / oliefaser til en fin emulsion.
Videoen nedenfor viser emulgeringsprocessen af olie (gul) i vand (rød) ved hjælp af UP400S lab ultralydsapparat.
Hvad er en emulsion?Emulsioner er dispersioner af to eller flere ikke-blandbare væsker. Højintensiv ultralyd leverer den nødvendige strøm til at sprede en væskefase (dispergeret fase) i små dråber i en anden fase (kontinuerlig fase). I dispergeringszonen forårsager imploderende kavitationsbobler intensive chokbølger i den omgivende væske og resulterer i dannelsen af væskestråler med høj væskehastighed.
Miniemulsioner, som effektivt kan skabes ved ultralydbehandling, forbedrer kemiske reaktioner. Makroemulsionspolymerisation (a) versus miniemulsionspolymerisation (b) [Schork et al. 2005: 136]
nano-emulsioner – En strømapplikation til ultralydapparater
Nanoemulsioner er emulsioner med dråber, der typisk er mindre end 100 nanometer store. Nanoemulsioner giver 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 ultralydsemulgering
Ultralydsemulgeringsprocesser bruger kræfterne ved akustisk kavitation. Akustisk kavitation refererer til fænomenet dannelse, vækst og implosivt kollaps af små bobler i et flydende medium udsat for ultralydsbølger med høj intensitet. Implosionen af disse bobler genererer intense lokale tryk- og temperaturgradienter, som kan skabe høje forskydningskræfter, chokbølger og mikrostråler, der kan nedbryde store partikler og agglomerater til mindre. Billedet til venstre demonstrerer ultralydskavitation genereret ved sonden af ultralydsapparatet UIP1000hdT (1000 watt) i en væskefyldt glassøjle.
Ved emulgering og nano-emulgering spiller intensiteten af akustisk kavitation en afgørende rolle i at reducere størrelsen af dråber i emulsionen. Det implosive kollaps 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 dets evne til at give lokaliseret og intens energitilførsel til det flydende medium uden behov for høje mekaniske eller termiske belastninger. Dette gør det til en attraktiv teknik til nano-emulgering, da det kan reducere den energitilførsel, der kræves til emulgeringsprocessen, samtidig med at der opnås en mindre dråbestørrelse og en smallere dråbestørrelsesfordeling.
På grund af disse præcist kontrollerbare ultralydskræfter er akustisk kavitation et kraftfuldt værktøj til nano-emulgering. Dens evne til at generere lokaliseret og intens energitilførsel gør det muligt at nedbryde større dråber og danne submikron- og nanodråber med en meget høj effektivitet.
Undersøgelser af olie i vand (vandfase) og vand i olie (oliefase) emulsioner har vist sammenhængen mellem energitæthed og dråbestørrelse (f.eks. Sauterdiameter). Der er en klar tendens til mindre dråbestørrelse ved stigende energitæthed (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, der består af flere ultralydsprocessorer på op til 16.000 watt hver, giver den nødvendige kapacitet til at oversætte denne laboratorieapplikation til en effektiv produktionsmetode til at opnå fint dispergerede emulsioner i kontinuerlig flow eller i en batch – Opnå resultater, der kan sammenlignes med nutidens bedste højtrykshomogenisatorer, der findes, såsom den nye åbningsventil. Ud over denne høje effektivitet i den kontinuerlige emulgering kræver Hielscher ultralydsenheder meget lav vedligeholdelse og er meget nemme at betjene og rengøre. Ultralyden understøtter faktisk rengøring og skylning. Ultralydseffekten er justerbar og kan tilpasses bestemte produkter og emulgeringskrav. Specielle flowcellereaktorer, der opfylder de avancerede CIP-krav (clean-in-place) og SIP (sterilize-in-place) er også tilgængelige.
MultiSonoReactor MSR-4 er en industriel inline homogeniseringsreaktor, der er velegnet til (nano-)emulgeringsprocesser med høje gennemløb.
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Litteratur / Referencer
- 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.
Fakta, der er værd at vide
Definition af udtrykket “emulsion”
En emulsion er en blanding af to eller flere ikke-blandbare væsker, såsom olie og vand.
Emulsioner kan enten være olie-i-vand (hvor olidripber spredes i vand) eller vand-i-olie (hvor vanddråber spredes i olie). Emulsioner bruges i en række forskellige applikationer, herunder fødevarer (såsom salatdressinger og mayonnaise), kosmetik (såsom lotioner og cremer) og lægemidler (såsom vacciner).
En emulgator virker ved at reducere overfladespændingen mellem de to ikke-blandbare stoffer (såsom olie og vand) i en emulsion. Dette reducerer de to stoffers tendens til at adskille sig og giver dem mulighed for at danne en stabil blanding.
Hvordan gøres en emulsion stabil?
En emulsion gøres stabil ved at forhindre den dispergerede fase (dråber af en væske) i at kolossere og adskille sig fra den kontinuerlige fase (den omgivende væske). Flere nøglepunkter skal overvejes for at opnå stabilitet i emulsioner:
- Emulgatorer (overfladeaktive stoffer):
– Rolle: Emulgatorer er molekyler, der har både hydrofile (vandtiltrækkende) og hydrofobe (vandafvisende) ender.
– Handling: De reducerer overfladespændingen mellem de to ikke-blandbare væsker og danner et beskyttende lag omkring dråberne, hvilket forhindrer dem i at smelte sammen.
– Eksempler: Lecithin, polysorbater og natriumstearoyllactylat. - Mekaniske metoder:
Højtydende blanding: Brug af højforskydningsblandere eller homogenisatorer til at bryde dråberne i mindre størrelser, hvilket øger overfladearealet og forbedrer stabiliteten. Sonde-type sonikere er en fremragende og meget pålidelig metode ved hjælp af sonomekaniske forskydningskræfter. Disse ultralydsforskydningskræfter bryder store dråber i små dråber og blander de ikke-blandbare faser til en stabil emulsion. - Viskositetsmodifikatorer:
Gelatineringsmidler: Forøgelse af viskositeten af den kontinuerlige fase kan bremse dråbernes bevægelse, hvilket reducerer sandsynligheden for koalescens.
– Eksempler: Xanthangummi, guargummi og carboxymethylcellulose. - Stabiliserende midler:
– Polymerer: Polymerer kan give sterisk stabilisering ved at danne et tykt lag omkring dråber.
– Eksempler: Pektin, gelatine og visse proteiner. - Elektrostatisk stabilisering:
– Anklage: Nogle emulgatorer giver en elektrisk ladning til overfladen af dråber, hvilket får dem til at frastøde hinanden og dermed reducere koalescens.
– Eksempler: Natriumkaseinat og sojalecithin. - Temperaturkontrol:
– Køling: Sænkning af temperaturen kan øge viskositeten af den kontinuerlige fase og reducere dråbernes kinetiske energi, hvilket forhindrer koalescens.
– Undgå faseadskillelse: Sikring af, at temperaturen forbliver inden for et område, der forhindrer komponenterne i at adskilles. - Tilsætningsstoffer:
– Antioxidanter: Forebyggelse af oxidation kan hjælpe med at opretholde integriteten af emulgatoren og andre komponenter.
– Chelateringsmidler: Binding af metalioner, der ellers kan destabilisere emulsionen.
Ved at anvende den rigtige emulgeringsteknik kan emulsioner gøres stabile, hvilket sikrer, at blandingen forbliver homogen og bevarer de ønskede egenskaber over tid.
Stabiliserende emulgatorer
Generelt kræver emulsioner stabilisering ved hjælp af et emulgeringsmiddel eller overfladeaktivt middel. Emulgatorer er amfifile – de tiltrækker både vand og fedtstoffer. Det betyder, at de har hydrofile (vandelskende) og hydrofobe (olieelskende) egenskaber, som gør det muligt for dem at interagere med både olie- og vandfasen af emulsionen. Den hydrofile del af emulgatormolekylet binder sig til vandmolekylerne, mens den hydrofobe del binder sig til oliemolekylerne.
Ved at omgive oliedråberne med emulgatormolekyler skaber emulgatoren et beskyttende lag omkring dråberne, der forhindrer dem i at komme i kontakt med hinanden og smelte sammen (sammenføjning) for at danne større dråber. Dette hjælper med at holde emulsionen stabil og forhindrer adskillelse.
Da sammensmeltning af dråberne efter afbrydelse påvirker den endelige dråbestørrelsesfordeling, anvendes effektivt stabiliserende emulgatorer til at opretholde den endelige dråbestørrelsesfordeling på et niveau, der er lig med fordelingen umiddelbart efter dråbeforstyrrelsen i ultralydsdispergeringszonen. Stabilisatorer fører faktisk til forbedret dråbeforstyrrelse ved konstant energitæthed.
Eksempler på almindeligt anvendte emulgatorer omfatter lecithin (som findes i æggeblommer og sojabønner), mono- og diglycerider, polysorbat 80 og natriumstearoyllactylat.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.