Emulgering ved ultralydskavitation
Et bredt udvalg af mellemprodukter og forbrugerprodukter – såsom kosmetik, hudcremer, farmaceutiske salver, lak, maling, smøremidler og brændstoffer – er helt eller delvist baseret på emulsioner.
Hielscher fremstiller verdens største industrielle ultralydsbehandlere til væsker, der er beregnet til effektiv emulgering af store væskestrømme i produktionsanlæg.
Sådan fungerer ultralydsemulgering
Laboratorieanvendelser: I laboratorieforhold har man længe kendt til og anvendt ultralydets emulgeringsevne på grund af de mange fordele, der er forbundet med ultralydshomogenisering og -emulgering.
Teknologien
Pålidelig ultralydsemulgering bygger på brugen af ultralydssonder, også kaldet sonotroder. Processen foregår på følgende måde:
- Ultralydskobling: Via ultralydssonden overføres højintensivt ultralyd til væsker, hvilket skaber akustisk kavitation.
- Kavitationseffekt: Ultralyds- eller akustisk kavitation genererer store forskydningskræfter, som leverer den nødvendige energi til at nedbryde store dråber til dråber i nanostørrelse.
- Dannelse af emulsion: To eller flere væskefaser blandes til en ensartet submikron- eller nanoemulsion.
Opskalering i industriel skala ved hjælp af gennemstrømningsteknologi: Anvendelsen af ultralydsflowceller muliggør en lineær opskalering til industriel produktion af nanoemulsioner, hvor store mængder behandles i et kontinuerligt gennemstrømningssystem.
Fremstilling af en klar nanoemulsion ved hjælp af ultralydsapparatet UP400ST.
Fordelene 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!
DLS-målingen viser den ensartede fordeling af dråbestørrelserne i en ultralydsproduceret roseolie-i-vand-emulsion.
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.
nano-emulsioner – Anvendelsesmulighederne for ultralydsapparater
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.
Videoen nedenfor viser emulgeringsprocessen af olie (gul) i vand (rød) ved hjælp af UP400S lab ultralydsapparat.
Arbejdsprincip for ultralydsemulgering
Akustisk kavitation: Drivkraften bag ultralydsemulgering og nanoemulgering
Ultralydsemulgering bygger på de kraftfulde virkninger af akustisk kavitation, et fænomen, der opstår, når højintensitetsultralydsbølger passerer gennem en væske. Under denne proces dannes der mikroskopiske bobler, som vokser og derefter kollapser voldsomt. Disse boblers implosive sammenbrud skaber ekstreme lokale forhold, herunder intense tryk- og temperaturgradienter, høje forskydningskræfter, chokbølger og mikrostråler af væske. Disse kræfter nedbryder effektivt store partikler, dråber og agglomerater til meget mindre strukturer.
Billedet til venstre viser akustisk kavitation, der genereres af UIP1000hdT-ultralydsprocessoren (1000 W), når den kører i en væskefyldt glassøjle.
Hvordan akustisk kavitation forbedrer emulgeringen
Både ved emulgering og nanoemulgering er kavitationsintensiteten en afgørende faktor for dråbestørrelsen. Når kavitationsboblerne brister, splitter de deraf følgende forskydningskræfter de større dråber op i stadig mindre dråber. Samtidig fremmer de lokale tryk- og temperaturændringer dannelsen af nye dråber og bidrager samtidig til at stabilisere emulsionen.
Denne kombination af dråbeopbrydning og stabilisering gør det muligt for ultralydsteknologien at fremstille meget ensartede emulsioner med en usædvanlig fin dråbestørrelsesfordeling.
Dråbestørrelsesfordeling for vand-olivenolie-emulsioner fremstillet ved (a) klassisk homogeniseringsmetode og (b) ultralydshomogenisering (ved hjælp af UP400S) med MD, WPI og en blanding heraf, med 40 % tørstof og 9 % olieindhold (vægtprocent). Ultralydsemulgering resulterer i betydeligt mindre dråber, mindre skumdannelse og en bedre samlet emulsionsstabilitet.
(undersøgelse og grafer: Zungur et al., 2015)
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!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator er et kraftfuldt tilbehør, der er kompatibelt med Hielschers ultralydsreaktorer med gennemstrømningscelle: Ved hjælp af indsatsen MPC48 sprøjtes den dispergerede fase via 48 kanyler som tynde væskestråler ind i ultralydszonen, hvor den dispergerede fase og den kontinuerlige fase blandes som mikroskopiske dråber til en nanoemulsion.
Oplev, hvordan MultiPhaseCavitator forbedrer emulgeringen!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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, så blandingen forbliver homogen og bevarer sine 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.
Miniemulsioner, som effektivt kan skabes ved ultralydbehandling, forbedrer kemiske reaktioner. Makroemulsionspolymerisation (a) versus miniemulsionspolymerisation (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.