Ultraschallemulgatoren

Eine Emulsion ist ein Zweiphasensystem aus zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, bei dem eine Phase, die sogenannte innere oder disperse Phase, in Form kleiner Tröpfchen in der anderen, sogenannten äußeren oder kontinuierlichen Phase verteilt ist. Zur Herstellung einer Emulsion ist in der Regel ein Energieeintrag in das Zweiphasensystem erforderlich. Ultraschallinduzierte Scherkräfte haben sich als hocheffizient bei der Herstellung langzeitstabiler Emulsionen mit nanoskaligen Tröpfchen und hervorragender Qualität bewährt.

Verbesserte Emulsionsstabilität durch Ultraschall

Die durch akustische Kavitation hervorgerufenen physikalischen Wirkungen des Ultraschalls führen zur Zerteilung von Öl- und Wassertröpfchen und erleichtern dadurch die Bildung stabiler O/W- und W/O-Emulsionen mit sehr kleinen Tröpfchen im Mikro- und Nanometerbereich. Aufgrund der sehr kleinen Tröpfchengröße und der großen Tröpfchenoberfläche weisen Nanoemulsionen eine außerordentlich hohe Bioaktivität auf, was für die Herstellung von Lebensmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln, Arzneimitteln und Kosmetika wichtig ist. Aufgrund der winzigen Tröpfchengröße kann die bioaktive Verbindung rasch in Zellen eindringen. Auch in der Materialwissenschaft und Industrie sind Nanoemulsionen für die Herstellung leistungsfähiger Beschichtungen, Farben, Polymere und anderer Verbundwerkstoffe wichtig. Mittels Ultraschall hergestellte Nanoemulsionen sind in der Regel deutlich stabiler als Makroemulsionen und zeigen keine Sedimentation, Koaleszenz oder Flockung.

Hocheffiziente Ultraschallemulgierung

Zungur et al. (2015) verglichen die Ultraschallhomogenisierung mit der klassischen Hochscherhomogenisierung zur Herstellung von Wasser-Olivenöl-Emulsionen. Für die Emulsionen wurden WPI und Maltodextrin als Verkapselungsmittel und Tween20 als Stabilisator verwendet. „Die Werte des Aufrahmungsindex der mit der klassischen und der Ultraschall-Homogenisierungstechnik hergestellten Emulsionen lagen zwischen 20,77 und 86,26 % bzw. 15,63 und 91,55 %. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass die mittels Ultraschallemulgierung hergestellten Emulsionen stabiler sind als diejenigen, die mit der klassischen Homogenisierungsmethode hergestellt wurden.“

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

Taha et al. (2020) kommen in ihrem Übersichtsartikel zu dem Schluss, dass hochintensiver Ultraschall (HIU) „eingesetzt werden könnte, um die emulgierenden Eigenschaften von Lebensmittelemulgatoren wie Proteinen und Polysacchariden zu verbessern und die Stabilität ihrer Emulsionen zu erhöhen. Durch Protein-Polysaccharid-Komplexe stabilisierte Emulsionen, die mittels HIU hergestellt wurden, zeigten eine höhere Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen als Emulsionen, die durch einzelne Komponenten stabilisiert wurden. Darüber hinaus zeigten mehrere Studien, dass HIU-Homogenisatoren energieeffizienter waren als Hochdruckhomogenisatoren und Mikrofluidisatoren.“ (Taha et al., 2020)

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

Hochleistungs-Ultraschallemulgatoren

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke, niederfrequente Ultraschallemulgatoren in jeder Größenordnung für Forschung und Entwicklung, Prozessentwicklung sowie die industrielle Produktion mit sehr großen Volumenströmen. Unser breites Portfolio bietet den idealen Ultraschallprozessor in jeder Größe und für jede Branche.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7/365-Betrieb realisieren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Prozessparameter lassen sich über intelligente Software exakt steuern und überwachen.

MultiPhaseCavitator – Das Ultraschall-Injektionssystem für stabile Emulsionen

Der MultiPhaseCavitator – MPC48insert – ist ein einzigartiger Einsatz für Durchflusszellenreaktoren von Hielscher. Die Konstruktion des MultiPhaseCavitators umfasst 48 feine Kanülen, die die zweite Phase der Emulsion direkt in den Kavitations-Hotspot injizieren. In der Kavitationszone werden die feinen Stränge der injizierten zweiten Phase durch Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20kHz zerteilt. Das bedeutet, dass die injizierte Flüssigkeit durch 20.000 Schwingungshübe pro Sekunde zerteilt wird, wodurch außerordentlich kleine Tröpfchen im Nanometerbereich entstehen. Die ultraschallinduzierte Scherung, Stoßwellen und Turbulenzen emulgieren diese kleinen Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase und erzeugen eine hochwertige Nanoemulsion mit hoher Stabilität.

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