Hielscher Ultraschalltechnik

Öl-in-Wasser-Emulsionen

Eine Emulsion besteht aus zwei nicht-mischbaren Flüssigkeiten, die fein ineinander dispergiert sind. Bei Öl-in-Wasser-Emulsionen wird die ölige Phase (dispergierte Phase) gleichmäßig in die wässrige Phase (kontinuierliche Phase) eingemischt. Zur Herstellung von stabilen Öl-in-Wasser-Emulsionen und Nanoemulsionen hat sich der Einsatz von Ultraschall-Emulgierern als erfolgreiche Methode bewährt. Ultraschallemulsionen zeichnen sich durch gleichmäßige Tröpfchendispersion und Langzeitstabilität aus.

Öl-in-Wasser-Emulsionen mit Ultraschall

Ultrasonication is an effective technique of emulsification and nano-emulsification.Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsionen sind in vielen Konsumgütern wie Lebensmitteln, Getränken, Kosmetika, Pharmazeutika usw. sowie in der Industrie (z. B. Materialwissenschaft, Polymere, Farben, Lacke, Feinchemie usw.) verbreitet.

Definition der Öl-in-Wasser-Emulsion

Eine Öl-in-Wasser-Emulsion ist ein Gemisch, in dem eine ölige Phase in Wasser oder einer anderen wässrigen Flüssigkeit dispergiert ist. Kleine Öltröpfchen sind in der Wasserphase (kontinuierliche Phase) fein dispergiert, um diese Öl-in-Wasser-Emulsion zu erzeugen. Wenn Öl (dispergierte Phase) in Wasser (kontinuierliche Phase) dispergiert wird, handelt es sich um eine Öl-in-Wasser-Emulsion; werden Wassertröpfchen in eine ölige kontinuierliche Phase gegeben, spricht man von einer Wasser-in-Öl-Emulsion.
Bei der Herstellung einer Öl-in-Wasser-Emulsion hängt die resultierende Emulsionsqualität von der Formulierung (Öl:Wasser-Verhältnis, Emulgator) und der Emulgiertechnik ab. Ultraschall-Emulgiergeräte erzeugen akustische Kavitation, die zu intensiven, hohen Scherkräften und Turbulenzen in der Flüssigkeit führt. Diese hochintensiven Kräfte spalten die beiden nicht-mischbaren Flüssigkeitsphasen in kleinste Tröpfchen auf und vermischen diese gleichmäßig miteinander. Die Ultraschall-Emulgierung kann problemlos Partikel im Nanobereich mit Tröpfchengrößen von bis zu 10nm erzeugen. Die sehr geringe Tröpfchengröße und die homogene, gleichmäßige Tröpfchengrößenverteilung der mit Ultraschall hergestellten Emulsionen macht die Beschallung zur bevorzugten Emulgiertechnik.

Vorteile der Ultraschall-Emulgierung

Die Ultraschallemulgierung übertrifft andere Emulgiertechniken wie die Hochdruckhomogenisierung, das Mischen mittels hoher Scherung und die Mikrofluidisierung durch Effizienz, gleichmäßige Produktion von Nanotröpfchen, hohe Emulsionsstabilität und die Fähigkeit, jedes Volumen - von kleinen Reagenzröhrchen und Bechergläsern bis zu hin zu großen Flüssigkeitsströmen - zu behandeln.
So zeigten Li und Xiang (2019) in ihrer vergleichenden Studie von Hochdruckhomogenisierung und Ultraschallemulgierung, dass die Ultraschallemulgierung zu gleichmäßigeren, stabileren Emulsionen führt. Aggregation in den Kokosnussöl-in-Wasser-Emulsionen trat nur nach der Hochdruckhomogenisierung auf, während die durch Ultraschallemulgierung hergestellten Emulsionen während einer 30-tägigen Lagerung stabil blieben.
Auch im Vergleich mit dem mechanischen Rühren erwiesen sich die mit der Ultraschalltechnik hergestellten Emulsionen über einen längeren Zeitraum als stabiler als die unter mechanischem Rühren hergestellten Emulsionen. Dies kann auf die kleine Tröpfchengröße zurückgeführt werden kann, welche thermodynamisch stabilisierend ist. Die Ultraschalltechnik erzeugt stabilere Emulsionen als die herkömmliche mechanische Rührmethode. (vgl. Ramisetty und Shyamsunder, 2011)
O'Sullivan et al. (2015) zeigen in ihrer Studie, dass die Ultraschall-Emulgierung durchweg Submikron-Emulsionen (mit Tropfengrößen kleiner als 200 nm) ergab. Nano-Emulsionen mit einheitlicher Tröpfchengröße von 10 nm können jedoch unter optimierten Bedingungen leicht und zuverlässig erreicht werden. Die Tröpfchengröße von mittels Ultraschall hergestellten Emulsionen ist eine Funktion der Verarbeitungszeit und der Ultraschallamplitude. Diese Prozessparameter sind sowohl für die Batch- als auch für die kontinuierliche Verarbeitung gleichermaßen relevant.

Hielscher ultrasonicator UP400St for oil-in-water emulsions

Herstellung einer klaren, nano-skaligen Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsion mit dem Ultraschallgerät UP400St

Informationen anfordern




Beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.


Vorteile von Ultraschall-Emulsionen

  • hocheffizienter Prozess
  • Submikron- und Nanotröpfchen
  • gleichmäßige Tröpfchengrößenverteilung
  • reproduzierbare Ergebnisse
  • für jedes Volumen
  • präzise steuerbar
  • linear skalierbar
  • sicher und einfach zu bedienen
Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

Herstellung einer Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsion (rotes Wasser / gelbes Öl) mittels Ultraschall. Wenige Sekunden Beschallung verwandeln die getrennten Wasser-/Ölphasen in eine feine Emulsion.

Das Funktionsprinzip der Ultraschall-Emulgierung

Die Ultraschall-gestützte Herstellung von Emulsionen und Nano-Emulsionen (z.B. Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Emulsionen) basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Zur Erzeugung der akustischen Kavitation wird von einem Ultraschall-Wandler hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall erzeugt und über das Ultraschall-Horn und -sonotrode (Ultraschallstab) in eine Flüssigkeit übertragen. Als Hochleistungs-Ultraschall wird Ultraschall im Bereich von 16-30kHz bezeichnet. Die Ultraschallsonotrode dehnt sich beispielsweise bei 20kHz aus und zieht sich zusammen, wodurch jeweils 20.000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium übertragen werden. Beim Durchlaufen der Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit entstehen durch wechselnde Hochdruck- (Kompression) / Niederdruckzyklen (Rarefaktion / Expansion) winzige Hohlräume (Vakuumblasen), welche über mehrere Druckzyklen wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen herrscht ein positiver Druck, während die Rarefaktionsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions-/Expansionszyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr absorbieren können. An diesem Punkt implodieren sie heftig. Die Implosion dieser Vakuumblasen führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, welche als Phänomen der akustischen / Ultraschall-Kavitation bekannt sind. Die akustische Kavitation ist gekennzeichnet durch vielfältige hochenergetische Effekte, die auf Flüssig-Flüssig-, Fest-Flüssig- und Gas-Flüssig-Systeme einwirken. Die energiedichte Zone bzw. Kavitationszone wird als sogenannte Hot-Spot-Zone bezeichnet, die in unmittelbarer Nähe der Ultraschallsonotrode am energierdichtesten ist und mit zunehmender Entfernung von der Sonotrode abnimmt. Zu den Hauptmerkmalen der Ultraschallkavitation gehören lokal auftretende sehr hohe Temperaturen und Drücke und entsprechende Differenzen sowie Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Bei der Implosion von Kavitationsblasen in den Ultraschall-Hotspots können Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin, Drücke von bis zu 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 1000km/h gemessen werden. Diese überaus energie-intensiven Bedingungen tragen zu sonomechanischen Effekten bei, welche verschiedene Prozesse durch hocheffektives Mischen, Dispergieren und Emulgieren intensivieren. Durch die Ultraschall-Scherkräfte, Flüssigkeitsströmungen und Turbulenzen werden die Tröpfchen aufgerissen und gleichmäßig miteinander vermischt. Die Hochleistungs-Ultraschall-Emulgierung erzeugt zuverlässig Nanotröpfchen mit einer sehr gleichmäßigen Größenverteilung. Dies macht die Ultraschall-Emulgierung zur bevorzugten Methode zur Herstellung von Öl-in-Wasser-Emulsionen / Nano-Emulsionen mit hoher Emulsionsstabilität und Haltbarkeit.

Ultraschall-Emulgierung

Ultrasonically prepared nano-emulsion - Clear, stable nano-emulsions with Hielscher Ultrasonics!

Ultraschall-Nano-Emulsionen, hergestellt mit dem Hielscher UP400St bei verschiedenen Energieeinträgen

Effekte der Ultraschallintensität auf die Emulsionsqualität

Die Qualität einer Emulsion wird hauptsächlich durch ihre Stabilität charakterisiert. Die Emulsionsstabilität wiederum ist ein Faktor der Tröpfchengrößenverteilung und der Emulsionsformulierung.
Die Ultraschallintensität, d.h. die Amplitude und die Beschallungsdauer, sind wichtige Faktoren, welche die Qualität der hergestellten Emulsion beeinflussen.
Die Forschung unterteilt die Stufen während der Emulgierung mittels Ultraschall in zwei Phasen: Während des ersten Schritts tritt eine Kombination aus Grenzflächenwellen und Rayleigh-Taylor-Instabilität auf, welche den Ausbruch der Tröpfchen der dispergierten Phase in die kontinuierliche Phase verursacht.
Im zweiten Schritt werden Tröpfchen durch akustische Kavitation in der Nähe der Tröpfchengrenzphasen aufgebrochen. Die intensiven Effekte der Tropfenzerkleinerung und Vermischung durch die Kavitationsstoßwellen erzeugen sehr kleine Tropfengrößen. Ultraschallintensität, - Amplitude und Beschallungszeit - sind für die erzielten Effekte der Kavitation verantwortlich und damit die einflussreichsten Parameter hinsichtlich der Feinst-Emulgierung. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7/365-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich.

Hochleistungs-Ultraschall-Emulgierer

Die Ultraschall-Emulgierung ist eine zuverlässige Prozesstechnologie, die die Herstellung von hochwertigen Emulsionen mit Tröpfchen im Submikron- und Nanobereich erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics deckt die gesamte Bandbreite von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Systemen für Emulgieranwendungen ab. So können wir Ihnen bei Hielscher den für Ihre angestrebte Emulsionsqualität und Prozessleistung am besten geeigneten Ultraschallgeber anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihres Ultraschallsystems in der Endfertigung.
Dank der geringen Stellfläche unserer Ultraschallextraktoren sowie ihrer vielseitigen Installationsmöglichkeiten finde sie selbst in beengten Produktionslinien Platz. Ultraschallprozessoren werden weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte Emulgiersysteme

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Hochleistungs-Ultraschallemulgatoren vom kleinen bis zum großen Maßstab ab. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der am besten geeigneten Ultraschall-Gerätekonfiguration für Ihren Emulgierprozess. Das optimale Ultraschall-Setup hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, den Rohstoffen, dem Batch- oder Inline-Prozess und dem Zeitplan ab.

Batch und Inline

Hielscher Ultraschall-Emulgatoren können für die Batch- und kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung ist ideal für Prozesstests, Optimierungen und kleine bis mittlere Produktionsstufen. Für die Produktion größerer Mengen an Emulsionen kann eine Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert einen ausgeklügelten Aufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks -, aber es ist hocheffizient, schnell und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Emulgiereinrichtung für Ihr Emulsionsvolumen und Ihre Prozessziele.

Ultraschallsonden und Reaktoren für die Emulgierung in jeder Größe

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDie Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab - von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität, LKW-Ladungen pro Stunde zu verarbeiten. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Emulgator für Ihre Prozesskapazität und Produktionsziele anzubieten.
Ultraschall-Benchtop-Systeme sind ideal für Machbarkeitsprüfungen und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf Basis etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Chargen bis zur voll kommerziellen Produktion zu erhöhen. Das Up-Scaling kann entweder durch die Installation einer leistungsstärkeren Ultraschallextraktionseinheit oder durch das Clustern mehrerer Ultraschallgeräte parallel erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschall-Emulgator an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Effektivität der Ultraschall-Emulgierung beeinflussen Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Die Amplitude ist ein entscheidender Faktor, der die Qualität der Ultraschallemulgierung entscheidend beeinflusst. Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschall-Prozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihre Emulsion mit den effektivsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für beste Emulgierergebnisse!
Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsmittel, das Ihre Emulgieranforderungen erfüllt.

Einfache, risikofreie Tests

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, mit denselben Prozessparametern auf genau dieselbe Leistung skaliert werden kann. Das macht die Beschallung ideal für risikofreie Machbarkeitstests, Prozessoptimierung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Beschallung Ihre Emulsionsproduktion verbessern kann.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!

Fordern Sie weitere Informationen an!

Bitte verwenden Sie das untenstehende Formular, um zusätzliche Informationen über unsere Ultraschallprozessoren, Anwendungen und Preise anzufordern. Gerne besprechen wir Ihr Verfahren mit Ihnen und bieten Ihnen ein Ihren Anforderungen entsprechendes Ultraschallsystem an!









Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Öl-in-Wasser- vs. Wasser-in-Öl-Emulsionen

Emulsionen können entweder Öl-in-Wasser oder Wasser-in-Öl sein. Technisch gesehen wird bei der Erzeugung von Öl-in-Wasser- bzw. Wasser-in-Öl-Emulsionen eine Phase (die so genannte dispergierte Phase) in die andere (die kontinuierliche Phase) gemischt. Mit anderen Worten: Eine Flüssigkeit dient als eine Art Basis, zu der eine andere Flüssigkeit hinzugefügt wird. Bei einer "Öl-in-Wasser-Emulsion" ist das Öl die dispergierte Phase, die sich in der kontinuierlichen Phase, dem Wasser, verteilt. Bei einer Wasser-in-Öl-Emulsion sind die Rollen vertauscht. Milch ist ein Beispiel für eine Öl-in-Wasser-Emulsion, während Butter eine Wasser-in-Öl-Emulsion ist.

Was ist der Unterschied zwischen Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Emulsionen?

Der Hauptunterschied zwischen einer Öl-in-Wasser- und einer Wasser-in-Öl-Emulsion ist die Zusammensetzung und Struktur der Suspension – was bedeutet, welche Art von Flüssigkeit in der anderen suspendiert ist. Bei einer Öl-in-Wasser-Emulsion ist das Öl die dispergierte Phase, die als sehr kleine Tröpfchen in die Wasser- / wässrige Phase (kontinuierliche Phase) eingemischt ist. Eine Wasser-in-Öl-Emulsion ist dagegen als Suspension definiert, bei der das Wasser die dispergierte Phase ist, die als winzige Tröpfchen in die kontinuierliche ölige Phase homogenisiert ist.
Eine wirkungsvolle Emulgiertechnik wie die Ultraschall-Emulgierung erzeugt die erforderlichen Scherkräfte und Turbulenzen, um die Flüssigkeiten in kleinste Tröpfchen zu zerlegen und gründlich zu vermischen.
Die Wahl der Emulgatoren ist ein weiterer wichtiger Faktor. Obwohl einige Emulsionen in Nanogröße von Natur aus stabil sein können, sind die meisten Emulsionen nicht von Natur aus über längere Zeiträume stabil. Daher muss die Formulierung sorgfältig entworfen werden, um Dispersionen mit einer erhöhten Haltbarkeit zu erzeugen. Nicht jeder Emulgator ist mit jeder Art von Emulsion kompatibel. Ein Emulgator mit guter Löslichkeit in Wasser kann eine Öl-in-Wasser-Emulsion besser unterstützen als eine Wasser-in-Öl-Emulsion, während ein Emulgator mit guter Löslichkeit in Öl am besten für Wasser-in-Öl-Emulsionen geeignet sein kann.