Ultraschall-Emulgierer

Eine Emulsion ist ein Zweiphasensystem aus zwei nicht-mischbaren Flüssigkeiten, bei dem eine Phase, die sogenannte innere oder dispergierte Phase, als kleine Tröpfchen in die andere, sogenannte äußere oder kontinuierliche, Phase verteilt ist. Um eine Emulsion herzustellen, ist in der Regel ein Energieeintrag in das Zweiphasensystem erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass Ultraschall-Scherkräfte hocheffizient sind, um langzeitstabile Emulsionen mit nanoskaligen Tröpfchen und von hoher Qualität herzustellen.

Verbesserte Emulsionsstabilität durch Ultraschall

Die physikalischen Effekte des Ultraschalls, welche durch akustische Kavitation hervorgerufen werden, führen zur Aufspaltung von Öl- und Wassertröpfchen und ermöglichen dadurch die Bildung von stabilen O/W- und W/O-Emulsionen mit sehr kleinen Tröpfchengrößen im Mikron- und Nanobereich. Aufgrund der sehr kleinen Tröpfchengröße und der hohen Oberfläche bieten Nanoemulsionen außerordentlich hohe bioaktive Eigenschaften, was für die Herstellung von Nahrungsmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln, Pharmazeutika und Kosmetika wichtig ist. Aufgrund der winzigen Tröpfchengröße kann die bioaktive Verbindung schnell in Zellen eindringen. Auch in der Materialwissenschaft und Industrie sind Nanoemulsionen wichtig für die Herstellung von Hochleistungsbeschichtungen, Lacken, Polymeren und anderen Verbundwerkstoffen. Mit Ultraschall hergestellte Nanoemulsionen sind in der Regel deutlich stabiler als Makroemulsionen und zeigen keine Sedimentation, Koaleszenz oder Ausflockung.

Hocheffiziente Ultraschall-Emulgierung

Zungur et al. (2015) verglichen in ihrer wissenschaftlichen Studie die Ultraschallhomogenisierung mit der klassischen High-Shear-Homogenisierung. Die beiden Emulgiertechniken wurden bei der Herstellung von Wasser-Olivenöl-Emulsionen miteinander verglichen. Für die Emulsionsherstellung wurden WPI (whey protein isolate) und Maltodextrin als Verkapselungsadditiv und Tween20 als Stabilisator verwendet. "Die Creaming-Index-Werte der Emulsionen, die mit der klassischen und der Ultraschall-Homogenisierungstechnik hergestellt wurden, schwankten zwischen 20,77 und 86,26 % bzw. 15,63 und 91,55 %. Generell zeigten die Ergebnisse, dass die mit der Ultraschallemulgierung hergestellten Emulsionen stabiler sind als die mit der klassischen Homogenisierungsmethode hergestellten."

Mikroskopaufnahmen (bei 100-facher Vergrößerung) von Emulsionen mit 40 % (wb) Trockenmasse und 9 % (wb) Öl, die durch klassische Homogenisierung mit (a) WPI, (b) MD, (c) WPI-MD-Mischung (1:1) und durch Ultraschallhomogenisierung mit (d) WPI, (e) MD und (f) WPI-MD-Mischung (1:1) hergestellt wurden. Die Emulgierung mit Ultraschall führt zu deutlich kleineren Tröpfchen und einer besseren Emulsionsstabilität.
(Studie und mikroskopische Bilder: Zungur et al., 2015)

Taha et al. (2020) kommen in ihrem Übersichtsartikel zu dem Schluss, dass Hochintensitäts-Ultraschall (HIU) "die emulgierenden Eigenschaften von Lebensmittelemulgatoren wie Proteinen und Polysacchariden verbessert und die Stabilität dieser Emulsionen erhöht. Mit HIU hergestellte, durch Protein-Polysaccharid-Komplexe stabilisierte Emulsionen zeigten eine bessere Stabilität gegenüber externen Einflüssen als die durch Einzelkomponenten stabilisierten Emulsionen. Außerdem zeigten mehrere Studien, dass HIU-Homogenisatoren energieeffizienter waren als Hochdruckhomogenisatoren und Mikrofluidisatoren." (Taha et al., 2020)

Herstellung einer Öl-in-Wasser (O/W)-Emulsion (rotes Wasser / gelbes Öl) mit Ultraschall. Wenige Sekunden Beschallung mit Ultraschall verwandeln die beiden Phasen aus Wasser und Öl in eine feine Emulsion.

Hochleistungs-Ultraschall-Emulgierer

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Niederfrequenz-Ultraschallemulgatoren in jedem Maßstab für Forschung, Prozessentwicklung, R&D und die industrielle Produktion von sehr großen Volumenströmen. Unser breites Portfolio bietet den idealen Ultraschallprozessor in jeder Kapazität und für jede Branche.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7/365-Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden verfügbar. Alle Prozessparameter können über eine intelligente Software exakt gesteuert und überwacht werden.

MultiPhaseCavitator – Das Ultraschall-Injektionssystem für stabile Emulsionen

Der MultiPhaseCavitator – MPC48insert – ist ein einzigartiger Einsatz für Hielscher Durchflusszellenreaktoren. Das Design des MultiPhaseCavitators verfügt über 48 feine Kanülen, die die zweite Phase der Emulsion direkt in den Kavitations-Hotspot injizieren. In der Kavitationszone werden die feinen Stränge der eingespritzten zweiten Phase jeweils durch Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20kHz abgetrennt. Das bedeutet, dass die eingespritzte Flüssigkeit durch 20.000 Schwingungshübe pro Sekunde geschnitten wird, wodurch außerordentlich kleine Tröpfchen im Nanobereich entstehen. Die Ultraschallscherung, Stoßwellen und Turbulenzen emulgieren diese kleinen Tröpfchen innerhalb der kontinuierlichen Phase und erzeugen eine hervorragende Nanoemulsion mit hoher Stabilität.

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