Ultraschall-Dispergierung von Xanthan und Guarkernmehl

• Scherverdünnende Materialien wie Xanthan und Guarkernmehl werden häufig als Rheologiemodifizierer verwendet.
• Um die Eigenschaften von Xanthan Gum bzw. Guarkernmehl nutzen zu können, muss das Pulver gleichmäßig in die Formulierung eingemischt werden.
• Die intensiven Scherkräfte von Hochleistungs-Ultraschall sind eine zuverlässige Methode, um Xanthan Gum und Guarkernmehl in eine homogene Produktformulierung zu dispergieren.

Ultraschall-Dispergierung von Xanthan Gum und Guarkernmehl

Material:

Xanthan Gum und Guarkernmehl werden häufig als Rheologieadditive, Verdickungsmittel und Stabilisatoren verwendet. Sowohl Guarkernmehl als auch Xanthan Gum können aufgrund ihrer hohen Wasserbindungskapazität sehr sparsam eingesetzt werden. Beide Rheologiemodifizierer sind ascherverdünnend bzw. thixotrop. D.h. die Viskosität der Xanthan- bzw. Guarkernmehl-Suspension sinkt bei der Einwirkung von Scherkräften. Dieses Phänomen ist als Thixotropie, Scherverdünnung, Pseudoplastizität bzw. Strukturviskosität bekannt. Strukturviskose Materialien werden unter der Einwirkung von Scherkräften (z.B. Schütteln, Rühren etc.) dünnflüssiger; sobald die Scherkräfte jedoch reduziert werden, nimmt die Viskosität des Produktes wieder zu. Werden Xanthan Gum und Guarkernmehl kombiniert, zeigen sich Synergien, wodurch sich eine noch schnellere und effizientere Viskositätsverbesserung erzielen lässt.

Problem:

Um Xanthan Gum und Guarkernmehl schnell und effizient in Formulierungen, z.B. Bohrflüssigkeiten, Lebensmittel oder Kosmetika, einzumischen, muss das Pulver homogen dispergiert werden. Konventionelle Rührwerke und Dispergatoren gelangen oftmals an ihre Leistungsgrenze, wenn es um die Dispersion von viskosen Slurries mit hohen Partikelladungen geht. Pulverklumpen, sogenannte „Fischaugen“, verschlechtern die Produkteigenschaften, da die Partikel des Rheologieadditives nur in fein-dispergiertem Zustand ihre Eigenschaften vollständig entfalten können.

Lösung:

Ultraschall-Scherkräfte sind eine leistungsstarke und zuverlässige Technologie, wenn es darum geht, pseudoplastische bzw. thixotrope Slurries homogen zu dispergieren. Eine hohe Partikeldichte, hohe Viskositäten und hohe Volumen ströme können problemlos mittels Ultraschall verarbeitet werden. Für die kommerzielle Produktion ist es empfehlenswert, die Slurries für die Beschallung durch einen Durchflussreaktor zu führen. Bei einer kontinuierlichen Beschallung im Reaktor werden die Partikel direkt durch die ultraschall-generierte Kavitations- Zone gepumpt, so dass eine zuverlässige und effiziente Dispersion erzielt wird.

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Vorteile:

• Rohstoffersparnis
• sehr gleichmäßige Dispersion
• qualitativ hochwertige Produkte
• schnelle Dispersion
• hohe Partikeldichte
• hohe Viskositäten

Ultraschall-Mischen & Dispergieren

Wenn intensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten und Slurries eingetragen werden, generieren die abwechselnde Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen Kavitation sblasen. Diese Kavitationsblasen wachsen heran und implodieren, wenn sie keine weitere Energie absorbieren können. Dabei entstehen lokal extreme Bedingungen – sogenannte hot spots – welche sich durch hohe Druckunterschiede, hohe Temperaturen von bis zu 6000 K, hohe Heiz- und Kühlraten und Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 280m/s auszeichnen. Diese hochintensiven Ultraschallkräfte sind sehr effektiv und werden für verschiedene Anwendungen genutzt, wie z.B. für das Mahlen & Feinmahlen, Dispersionen, Emulsionen und Desintegration.
Hielscher bietet mit seiner breiten Produktpalette an Ultraschall-Hochschermischern das geeignete Gerät für Labor und R&D bis hin zur industriellen Produktion. Ultraschall-Dispergierer können als kontinuierliche Inline-Systeme große Volumina verarbeiten. Industrielle Ultraschallanlagen, wie z.B. der UIP4000, UIP10000 oder UIP16000 wurden für anspruchsvolle Anwendungen unter schwierigen Bedingungen entwickelt – und überzeugen durch ihre Robustheit und Effizienz.

Aufgrund der rheologie-modifizierenden Eigenschaften werden Xanthan Gum und Guarkernmehl in vielfältigen Branchen als Additive eingesetzt. Um die gewünschten Eigenschaften des Rheologieadditives vollständig nutzen zu können, müssen das Xanthan bzw. Guarkernmehl gleichmäßig in die Formulierung eingemischt werden. Ultraschall ist eine schnelle und zuverlässige Technik, um eine homogen dispergierte Formulierung im Labor, Bench-Top und industrielle Maßstab herzustellen. Hielscher's Ultraschall-Dispergierer sind in zahlreichen Branchen verbreitet und werden für ihre Zuverlässigkeit geschätzt, denn durch ihre hochintensiven Scherkräfte liefern sie eine hervorragende Dispersionsqualität.

Die Verwendung von Xanthan Gum

Ölförderung:

In der Ölbohrindustrie ist Xanthan in großen Mengen notwendig, um die Bohrflüssigkeiten herzustellen. Xanten Gum wird eingesetzt, um den Bohrschlamm (drilling mud) zu verdicken. Die Bohrspülung dient dazu, die Feststoffe, welche bei der Bohrung abgetragen werden, an die Oberfläche zu transportieren. Xanthan Gum bietet ein hohes „low end“ -Rheologieverhalten. D.h. die Viskosität des Bohrschlammes nimmt zu, wenn die Bewegung abnimmt, so dass der Bohrschlamm während der Bohrung eine flüssige Konsistenz aufweist und sich in eine deutlich viskosere Substanz verwandelt, sobald die Bohrung beendet wird.

Lebensmittelindustrie:

Xanthan Gum ist ein häufig verwendeter Zusatzstoff, der in Lebensmitteln wie z.B. Salat-Dressings, Saucen, Suppen und Backwaren zu finden ist. Gluten kann hervorragend durch Xanthan ersetzt werden. Xanthangummi ist daher ein wichtiger Bestandteil in glutenfreien Produkten.

Kosmetikindustrie:

In der Kosmetikindustrie findet Xanthangummi Verwendung, um wasserbasierte Gele, meist in Verbindung mit Bentonit, vorzubereiten. So ist Xanthan ein typisches Verdickungsmittel für Shampoos. Zudem dient es in Öl-Wasser-Emulsionen dazu, die Öltröpfchen gegen Koaleszenz zu stabilisieren. Des Weiteren ist Xanten für seine feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften bekannt.

Verwendung von Guarkernmehl

Lebensmittelindustrie:

Die Lebensmittelindustrie ist der größte Verbraucher von Guarkernmehl (bekannt als Lebensmittelzusatz E412) und findet sich besonders häufig in glutenfreien Produkten.

Ölförderung:

Neben Xanthan Gum ist auch Guarkernmehl ein häufig verwendeter Rheologiemodifizierer, der Viskosität aufbaut und eine sehr gute Wasserbindungskapazität aufweist. Zudem wird Guarkernmehl auch als Stabilisator eingesetzt, der eine Sedimentation verhindert.

Weitere Branchen:

Guarkernmehl wird u.a. auch in der Textilindustrie für die Faserschlichtung, -veredelung und während des Färbens eingesetzt; in der Papierindustrie sorgt Guarkernmehl für eine bessere Blattstruktur, Faltbarkeit und dichtere Oberfläche; die Sprengstoff-Industrie nutzt es in Kombination mit Ammoniumnitrat und Nitroglycerin als Hydrophobierungsmittel; in Brandschutzmitteln kommt es Verdickungsmittel zum Einsatz; und der Nanotechnologie wir Guarkernmehl verwendet, um z.B. Silber- oder Gold-Nanopartikeln zu produzieren oder um innovative Medikamente für die Pharmazie zu entwickeln.