Emulgering ved ultralydskavitation
En lang række mellemprodukter og forbrugerprodukter – såsom kosmetik, hudlotioner, farmaceutiske salver, lakker, maling, smøremidler og brændstoffer – er helt eller delvist baseret på emulsioner.
Hielscher fremstiller verdens største industrielle ultralydsprocessorer til væsker til effektiv emulgering af store volumenstrømme i produktionsanlæg.
Sådan fungerer ultralydsemulgering
Laboratorieanvendelser: I laboratorier har ultralydens emulgeringsevne længe været kendt og anvendt på grund af de forskellige fordele ved ultralydshomogenisering og ultralydsemulgering.
Teknologien
Pålidelig ultralydsemulgering er baseret på brugen af ultralydssonder, også kendt som sonotroder. Processen fungerer som følger:
- Indkobling af ultralyd: Via ultralydssonden kobles ultralyd med høj intensitet ind i væsker, hvilket skaber akustisk kavitation.
- Kavitationseffekt: Ultralydskavitation eller akustisk kavitation genererer høje forskydningskræfter, som leverer den nødvendige energi til at bryde store dråber op i dråber i nanostørrelse.
- Emulsionsdannelse: To eller flere væskefaser blandes til en ensartet submikron- eller nanoemulsion.
Industriel opskalering via gennemstrømningsteknologi: Brug af ultralydsgennemstrømningsceller muliggør lineær opskalering til industriel produktion af nanoemulsioner, hvor store volumenstrømme behandles ved kontinuerlig gennemstrømning.
Fremstilling af en klar nanoemulsion med ultralyd ved hjælp af ultralydsapparatet UP400ST.
Fordelene ved ultralydsemulgering
Ultralydsemulgering med et ultralydsapparat med sonde giver flere fordele i forhold til andre emulgeringsteknikker:
- Forbedret emulsionsstabilitet: Ultralydsemulgering skaber mindre dråber og en mere ensartet dråbefordeling, hvilket resulterer i forbedret emulsionsstabilitet og længere holdbarhed. Dråber i submikron- og nanostørrelse kan fremstilles pålideligt ved hjælp af højintensitetsultralyd.
- Energieffektivitet: Ultralydsemulgering kræver mindre energi end andre emulgeringsmetoder, hvilket gør processen mere energieffektiv.
- Skalerbarhed: Ultralydsemulgering kan nemt skaleres op eller ned afhængigt af det nødvendige volumen, hvilket gør den til en alsidig proces til både laboratorieanvendelser og industrielle anvendelser.
- Tidsbesparelse: Ultralydsemulgering kan være en meget hurtig proces, hvor emulsioner dannes på sekunder til minutter afhængigt af væskerne, volumenet og udstyret.
- Reduceret behov for overfladeaktive stoffer: Ultralydsemulgering kan reducere behovet for overfladeaktive stoffer, som ofte er nødvendige for at stabilisere emulsioner. Når dråbestørrelsen reduceres, øges partiklens overfladeareal imidlertid, og et større areal skal dækkes af et overfladeaktivt stof. Sonikering er kompatibel med næsten alle typer overfladeaktive stoffer, herunder alternative og nye emulgatorer.
- Minimal og kontrollerbar varmeudvikling: Ultralydsemulgering er en ikke-termisk proces, og varmeudvikling under behandlingen kan undgås eller reduceres i mindre grad. Dermed reduceres risikoen for termisk nedbrydning af følsomme forbindelser eller ingredienser.
Fordelene ved ultralydsemulgering med et ultralydsapparat med sonde gør den til et fremragende valg til emulgering inden for en række områder, herunder fødevarer og drikkevarer, lægemidler, kosmetik, finkemikalier og brændstoffer.
Læs mere om emulgering af mayonnaise med ultralyd!
Læs mere om fremstilling af paraffinvoksemulsioner ved hjælp af sonikering!
Læs mere om vand-i-diesel-emulsioner fremstillet ved hjælp af ultralyd!
DLS-målingen viser den ensartede dråbestørrelsesfordeling i en rosenolie-i-vand-emulsion fremstillet med ultralyd.
Hvad er en emulsion?Emulsioner er dispersioner af to eller flere ikke-blandbare væsker. Ultralyd med meget høj intensitet leverer den effekt, der er nødvendig for at dispergere en væskefase (dispergeret fase) som små dråber i en anden fase (kontinuert fase). I dispergeringszonen skaber imploderende kavitationsbobler intense chokbølger i den omgivende væske og medfører dannelse af væskestråler med høj væskehastighed.
Nanoemulsioner – en kraftfuld anvendelse af sonikatorer
Nanoemulsioner er emulsioner med dråber, der typisk er mindre end 100 nanometer. Nanoemulsioner giver flere fordele i forhold til konventionelle emulsioner, herunder unikke funktionelle egenskaber, højere stabilitet, gennemsigtighed osv.
Sonikering udkonkurrerer traditionelle emulgeringsteknologier, især når det gælder dannelse af nanoemulsioner. Dette skyldes ultralydens meget effektive og energiintense arbejdsprincip.
Videoen nedenfor viser emulgeringen af olie (gul) i vand (rød) ved hjælp af laboratorieultralydsapparatet UP400S.
Arbejdsprincippet for ultralydsemulgering
Akustisk kavitation: Drivkraften bag ultralydsemulgering og nanoemulgering
Ultralydsemulgering bygger på de kraftige virkninger af akustisk kavitation, et fænomen, der opstår, når ultralydsbølger med høj intensitet passerer gennem en væske. Under denne proces dannes mikroskopiske bobler, som vokser og derefter kollapser voldsomt. Boblernes implosive kollaps 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 genereret af ultralydsprocessoren UIP1000hdT (1000 W), som arbejder i en væskefyldt glaskolonne.
Sådan forbedrer akustisk kavitation emulgeringen
Ved både emulgering og nanoemulgering er kavitationsintensiteten en afgørende faktor for dråbestørrelsen. Når kavitationsbobler kollapser, opdeler de resulterende forskydningskræfter større dråber i stadig mindre dråber. Samtidig fremmer de lokale tryk- og temperaturændringer dannelsen af nye dråber og hjælper med at stabilisere emulsionen.
Denne kombination af dråbeopbrydning og stabilisering gør det muligt for ultralydsteknologi at fremstille meget ensartede emulsioner med usædvanligt fine dråbestørrelsesfordelinger.
Dråbestørrelsesfordeling i vand-olivenolie-emulsioner fremstillet ved (a) en klassisk homogeniseringsmetode og (b) en ultralydshomogeniseringsmetode (med UP400S) med MD, WPI og deres blanding, med 40% tørstof og et olieindhold på 9% (w/w). Ultralydsemulgering resulterer i betydeligt mindre dråber, mindre flødedannelse og bedre samlet emulsionsstabilitet.
(undersøgelse og grafer: Zungur et al., 2015)
Ultralydssonder til effektiv emulgering
Hielscher tilbyder et bredt udvalg af ultralydsapparater med sonde og tilbehør til effektiv emulgering og dispergering af væsker i batch- og gennemstrømningsdrift.
Systemer bestående af flere ultralydsprocessorer på op til 16.000 watt hver giver den nødvendige kapacitet til at omsætte denne laboratorieanvendelse til en effektiv produktionsmetode, der giver fint dispergerede emulsioner i kontinuerlig strømning eller i en batch – med resultater, der kan sammenlignes med dem fra de bedste højtrykshomogenisatorer, der findes i dag, såsom den nye orifice-ventil. Ud over denne høje effektivitet ved kontinuerlig emulgering kræver Hielschers ultralydsapparater meget lidt vedligeholdelse og er meget nemme at betjene og rengøre. Ultralyd understøtter faktisk rengøring og skylning. Ultralydseffekten kan justeres og tilpasses bestemte produkter og emulgeringskrav. Der findes også særlige gennemstrømningsreaktorer, der opfylder de avancerede krav til CIP (rengøring på stedet) og SIP (sterilisering på stedet).
MultiSonoReactor MSR-4 er en industriel inline-homogeniseringsreaktor, der er egnet til (nano-)emulgeringsprocesser med høj gennemløbskapacitet.
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 0,5 til 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | højere | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator er et kraftfuldt tilbehør, der er kompatibelt med Hielschers ultralydsgennemstrømningsreaktorer: Ved hjælp af indsatsen MPC48 injiceres den dispergerede fase via 48 kanyler som tynde væskestrenge i den varme ultralydszone, hvor den dispergerede fase og den kontinuerte fase blandes som bittesmå dråber til en nanoemulsion.
Se, hvordan MultiPhaseCavitator forbedrer emulgeringen!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blanding, dispergering, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriskala.
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
Værd at vide
Definition af begrebet “emulsion”
En emulsion er en blanding af to eller flere ikke-blandbare væsker, såsom olie og vand.
Emulsioner kan være enten olie-i-vand (hvor oliedråber er dispergeret i vand) eller vand-i-olie (hvor vanddråber er dispergeret i olie). Emulsioner bruges til en række anvendelser, 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 skille og gør det muligt for dem at danne en stabil blanding.
Hvordan gøres en emulsion stabil?
En emulsion gøres stabil ved at forhindre, at den dispergerede fase (dråber af én væske) koalescerer og adskilles fra den kontinuerte fase (den omgivende væske). Flere centrale forhold skal tages i betragtning for at opnå stabilitet i emulsioner:
- Emulgatorer (overfladeaktive stoffer):
– Rolle: Emulgatorer er molekyler, der har både hydrofile (vandtiltrækkende) og hydrofobe (vandafvisende) ender.
– Virkning: De reducerer overfladespændingen mellem de to ikke-blandbare væsker og danner et beskyttende lag omkring dråberne, som forhindrer dem i at koalescere.
– Eksempler: Lecithin, polysorbater og natriumstearoyllactylat. - Mekaniske metoder:
Højtydende blanding: Brug af blandere med høje forskydningskræfter eller homogenisatorer til at bryde dråberne op i mindre dråber, hvilket øger overfladearealet og forbedrer stabiliteten. Sonikatorer med sonde er en fremragende og meget pålidelig metode, der anvender sonomekaniske forskydningskræfter. Disse ultralydsbaserede forskydningskræfter bryder store dråber op i bittesmå dråber og blander de ikke-blandbare faser til en stabil emulsion. - Viskositetsmodificerende stoffer:
Fortykningsmidler: En forøgelse af den kontinuerte fases viskositet kan bremse dråbernes bevægelse og dermed reducere sandsynligheden for koalescens.
– Eksempler: Xanthangummi, guargummi og carboxymethylcellulose. - Stabiliserende midler:
– Polymerer: Polymerer kan give sterisk stabilisering ved at danne et tykt lag omkring dråberne.
– Eksempler: Pektin, gelatine og visse proteiner. - Elektrostatisk stabilisering:
– Ladning: Nogle emulgatorer giver dråbernes overflade en elektrisk ladning, så de frastøder hinanden og dermed reducerer koalescens.
– Eksempler: Natriumkaseinat og sojalecithin. - Temperaturstyring:
– Køling: En sænkning af temperaturen kan øge den kontinuerte fases viskositet og reducere dråbernes kinetiske energi, hvilket forhindrer koalescens.
– Forebyggelse af faseadskillelse: Sikring af, at temperaturen forbliver inden for et interval, der forhindrer komponenterne i at skille. - Tilsætningsstoffer:
– Antioxidanter: Forebyggelse af oxidation kan hjælpe med at bevare emulgatorens og de øvrige komponenters integritet.
– Chelateringsmidler: Binding af metalioner, der ellers kunne destabilisere emulsionen.
Ved at anvende den rette 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 en emulgator eller et overfladeaktivt stof. Emulgatorer er amfifile – de tiltrækker både vand og fedtholdige stoffer. Det betyder, at de har hydrofile (vandelskende) og hydrofobe (olieelskende) egenskaber, som gør det muligt for dem at interagere med både olie- og vandfasen i 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, som forhindrer dem i at komme i kontakt med hinanden og koalescere (smelte sammen) til større dråber. Dette hjælper med at holde emulsionen stabil og forhindrer adskillelse.
Da dråbernes koalescens efter opbrydningen påvirker den endelige dråbestørrelsesfordeling, bruges effektivt stabiliserende emulgatorer til at holde den endelige dråbestørrelsesfordeling på et niveau, der svarer til fordelingen umiddelbart efter dråbeopbrydningen i ultralydens dispergeringszone. Stabilisatorer fører faktisk til forbedret dråbeopbrydning 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 fremstilles ved sonikering, fremmer kemiske reaktioner. Makroemulsionspolymerisation (a) sammenlignet med miniemulsionspolymerisation (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.