Γαλακτωματοποίηση μέσω σπηλαίωσης υπερήχων

Ένα ευρύ φάσμα ενδιάμεσων και καταναλωτικών προϊόντων – όπως καλλυντικά, λοσιόν δέρματος, φαρμακευτικές αλοιφές, βερνίκια, χρώματα, λιπαντικά και καύσιμα – βασίζονται εξ ολοκλήρου ή εν μέρει σε γαλακτώματα.
Η Hielscher κατασκευάζει τους μεγαλύτερους βιομηχανικούς επεξεργαστές υγρών με υπερήχους στον κόσμο για την αποτελεσματική γαλακτωματοποίηση ρευμάτων μεγάλου όγκου σε μονάδες παραγωγής.

Πώς λειτουργεί η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους

Εργαστηριακές εφαρμογές: Σε εργαστηριακές συνθήκες, η ικανότητα γαλακτωματοποίησης των υπερήχων είναι γνωστή και αξιοποιείται εδώ και πολύ καιρό χάρη στα ποικίλα οφέλη που συνδέονται με την ομογενοποίηση και τη γαλακτωματοποίηση με υπερήχους.

Η τεχνολογία

Η αξιόπιστη γαλακτωματοποίηση με υπερήχους βασίζεται στη χρήση κεφαλών υπερήχων, γνωστών και ως ηχοτρόδια. Η διαδικασία λειτουργεί ως εξής:

1. Σύζευξη υπερήχων: Μέσω της κεφαλής υπερήχων, υπέρηχοι υψηλής έντασης συζεύγνυνται με τα υγρά, δημιουργώντας ακουστική σπηλαίωση.
2. Επίδραση της σπηλαίωσης: Η υπερηχητική ή ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί ισχυρές δυνάμεις διάτμησης, οι οποίες παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια για τη διάσπαση μεγάλων σταγονιδίων σε σταγονίδια νανομετρικού μεγέθους.
3. Σχηματισμός γαλακτώματος: Δύο ή περισσότερες υγρές φάσεις αναμειγνύονται σχηματίζοντας ένα ομοιόμορφο γαλάκτωμα με σταγονίδια υπομικρομετρικού μεγέθους ή ένα νανογαλάκτωμα.

 
Κλιμάκωση σε βιομηχανική παραγωγή μέσω τεχνολογίας συνεχούς ροής: Η χρήση κυψελίδων ροής υπερήχων επιτρέπει τη γραμμική κλιμάκωση στη βιομηχανική παραγωγή νανογαλακτωμάτων, με επεξεργασία ρευμάτων μεγάλου όγκου σε συνεχή ροή.

Τα πλεονεκτήματα της γαλακτωματοποίησης με υπερήχους

Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους χρησιμοποιώντας συσκευή υπερήχων με ηχοτρόδιο προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι άλλων τεχνικών γαλακτωματοποίησης:

1. Βελτιωμένη σταθερότητα γαλακτώματος: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους δημιουργεί μικρότερα σταγονίδια και πιο ομοιόμορφη κατανομή σταγονιδίων, με αποτέλεσμα βελτιωμένη σταθερότητα του γαλακτώματος και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Σταγονίδια υπομικρομετρικού και νανομετρικού μεγέθους μπορούν να παραχθούν αξιόπιστα με τη χρήση υπερήχων ισχύος.
2. Ενεργειακή απόδοση: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους απαιτεί λιγότερη ενέργεια από άλλες μεθόδους γαλακτωματοποίησης, γεγονός που την καθιστά ενεργειακά αποδοτικότερη διαδικασία.
3. Δυνατότητα κλιμάκωσης: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί σε μεγαλύτερη ή μικρότερη κλίμακα ανάλογα με τον απαιτούμενο όγκο, γεγονός που την καθιστά ευέλικτη διαδικασία τόσο για εργαστηριακές όσο και για βιομηχανικές εφαρμογές.
4. Εξοικονόμηση χρόνου: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους μπορεί να είναι μια πολύ γρήγορη διαδικασία, με τα γαλακτώματα να σχηματίζονται μέσα σε δευτερόλεπτα έως λεπτά, ανάλογα με τα υγρά, τον όγκο και τον εξοπλισμό.
5. Μειωμένη ανάγκη για επιφανειοδραστικές ουσίες: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους μπορεί να μειώσει την ανάγκη για επιφανειοδραστικές ουσίες, οι οποίες συχνά απαιτούνται για τη σταθεροποίηση των γαλακτωμάτων. Ωστόσο, όταν το μέγεθος των σταγονιδίων μειώνεται, το εμβαδόν της επιφάνειας του σωματιδίου αυξάνεται και πρέπει να καλυφθεί μεγαλύτερη επιφάνεια από μια επιφανειοδραστική ουσία. Η κατεργασία με υπερήχους είναι συμβατή με σχεδόν κάθε είδος επιφανειοδραστικής ουσίας, συμπεριλαμβανομένων εναλλακτικών και νέων γαλακτωματοποιητών.
6. Ελάχιστη και ελεγχόμενη παραγωγή θερμότητας: Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους είναι μια μη θερμική διαδικασία και η παραγωγή θερμότητας κατά την επεξεργασία μπορεί να αποφευχθεί ή να μειωθεί σε μικρό βαθμό. Έτσι, μειώνεται ο κίνδυνος θερμικής αποδόμησης ευαίσθητων ενώσεων ή συστατικών.

Τα πλεονεκτήματα της γαλακτωματοποίησης με υπερήχους χρησιμοποιώντας συσκευή υπερήχων με ηχοτρόδιο την καθιστούν εξαιρετική επιλογή για γαλακτωματοποίηση σε ποικίλους τομείς, όπως τα τρόφιμα και τα ποτά, τα φαρμακευτικά προϊόντα, τα καλλυντικά, τα λεπτά χημικά και τα καύσιμα.
Διαβάστε περισσότερα για τη γαλακτωματοποίηση μαγιονέζας με υπερήχους!
Διαβάστε περισσότερα για την παραγωγή γαλακτωμάτων κηρού παραφίνης με κατεργασία με υπερήχους!
Διαβάστε περισσότερα για τα γαλακτώματα νερού σε ντίζελ που παράγονται με υπερήχους!

Η μέτρηση DLS δείχνει την ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους σταγονιδίων ενός γαλακτώματος ροδέλαιου σε νερό που παράγεται με υπερήχους.

Τι είναι το γαλάκτωμα;
Τα γαλακτώματα είναι διασπορές δύο ή περισσότερων μη αναμείξιμων υγρών. Οι υπέρηχοι πολύ υψηλής έντασης παρέχουν την ισχύ που απαιτείται για τη διασπορά μιας υγρής φάσης (διεσπαρμένη φάση) με τη μορφή μικρών σταγονιδίων σε μια δεύτερη φάση (συνεχής φάση). Στη ζώνη διασποράς, οι φυσαλίδες σπηλαίωσης που καταρρέουν προς το εσωτερικό τους προκαλούν έντονα κρουστικά κύματα στο περιβάλλον υγρό και οδηγούν στον σχηματισμό πιδάκων υγρού υψηλής ταχύτητας.

Νανογαλακτώματα – Η ισχυρή εφαρμογή των συσκευών υπερήχων

Τα νανογαλακτώματα είναι γαλακτώματα με σταγονίδια μεγέθους συνήθως μικρότερου από 100 νανόμετρα. Τα νανογαλακτώματα προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών γαλακτωμάτων, όπως μοναδικές λειτουργικές ιδιότητες, υψηλότερη σταθερότητα, διαφάνεια κ.λπ.
Η κατεργασία με υπερήχους υπερτερεί των παραδοσιακών τεχνολογιών γαλακτωματοποίησης, ιδίως όσον αφορά τον σχηματισμό νανογαλακτωμάτων. Αυτό οφείλεται στην ιδιαίτερα αποδοτική αρχή λειτουργίας των υπερήχων, η οποία παρέχει ενέργεια υψηλής έντασης.

 
Το παρακάτω βίντεο δείχνει τη διαδικασία γαλακτωματοποίησης ελαίου (κίτρινο) σε νερό (κόκκινο) με τη χρήση της εργαστηριακής συσκευής υπερήχων UP400S.

Αρχή λειτουργίας της γαλακτωματοποίησης με υπερήχους

Ακουστική σπηλαίωση: Η κινητήρια δύναμη της γαλακτωματοποίησης και της νανογαλακτωματοποίησης με υπερήχους
Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους βασίζεται στις ισχυρές επιδράσεις της ακουστικής σπηλαίωσης, ενός φαινομένου που εμφανίζεται όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης διέρχονται μέσα από ένα υγρό. Κατά τη διαδικασία αυτή, σχηματίζονται μικροσκοπικές φυσαλίδες, μεγαλώνουν και στη συνέχεια καταρρέουν βίαια. Η κατάρρευση αυτών των φυσαλίδων προς το εσωτερικό τους δημιουργεί ακραίες τοπικές συνθήκες, όπως έντονες βαθμίδες πίεσης και θερμοκρασίας, υψηλές δυνάμεις διάτμησης, κρουστικά κύματα και μικροπίδακες υγρού. Αυτές οι δυνάμεις διασπούν αποτελεσματικά τα μεγάλα σωματίδια, τα σταγονίδια και τα συσσωματώματα σε πολύ μικρότερες δομές.
Η εικόνα στα αριστερά απεικονίζει την ακουστική σπηλαίωση που δημιουργείται από τον επεξεργαστή υπερήχων UIP1000hdT (1000 W), ο οποίος λειτουργεί μέσα σε μια γυάλινη στήλη γεμάτη με υγρό.

Πώς η ακουστική σπηλαίωση βελτιώνει τη γαλακτωματοποίηση

Τόσο στη γαλακτωματοποίηση όσο και στη νανογαλακτωματοποίηση, η ένταση της σπηλαίωσης αποτελεί βασικό παράγοντα για τον καθορισμό του μεγέθους των σταγονιδίων. Καθώς οι φυσαλίδες σπηλαίωσης καταρρέουν, οι προκύπτουσες δυνάμεις διάτμησης διασπούν τα μεγαλύτερα σταγονίδια σε ολοένα μικρότερα. Ταυτόχρονα, οι τοπικές μεταβολές πίεσης και θερμοκρασίας προάγουν τον σχηματισμό νέων σταγονιδίων, ενώ συμβάλλουν στη σταθεροποίηση του γαλακτώματος.
Αυτός ο συνδυασμός διάσπασης και σταθεροποίησης των σταγονιδίων επιτρέπει στην τεχνολογία υπερήχων να παράγει γαλακτώματα υψηλής ομοιομορφίας με κατανομές μεγέθους εξαιρετικά λεπτών σταγονιδίων.
 

Κατανομή μεγέθους σταγονιδίων γαλακτωμάτων νερού–ελαιολάδου που παρασκευάστηκαν με (a) την κλασική μέθοδο ομογενοποίησης και (b) τη μέθοδο ομογενοποίησης με υπερήχους (με χρήση του UP400S), με MD, WPI και το μείγμα τους, με περιεκτικότητα σε ξηρά ουσία 40% και σε έλαιο 9% (w/w). Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους οδηγεί σε σημαντικά μικρότερα σταγονίδια, λιγότερη αποκορύφωση και καλύτερη συνολική σταθερότητα του γαλακτώματος.
(μελέτη και γραφήματα: Zungur et al., 2015)

Αισθητήρες υπερήχων για αποδοτική γαλακτωματοποίηση

Η Hielscher προσφέρει μια ευρεία γκάμα συσκευών υπερήχων τύπου αισθητήρα και εξαρτημάτων για την αποδοτική γαλακτωματοποίηση και διασπορά υγρών σε λειτουργία παρτίδας και συνεχούς διέλευσης.
Συστήματα που αποτελούνται από πολλούς επεξεργαστές υπερήχων ισχύος έως 16.000 watts ο καθένας παρέχουν την απαιτούμενη δυναμικότητα για τη μετατροπή αυτής της εργαστηριακής εφαρμογής σε μια αποδοτική μέθοδο παραγωγής γαλακτωμάτων με λεπτή διασπορά σε συνεχή ροή ή σε παρτίδα – επιτυγχάνοντας αποτελέσματα συγκρίσιμα με εκείνα των καλύτερων ομογενοποιητών υψηλής πίεσης που διατίθενται σήμερα, όπως η νέα βαλβίδα οπής. Εκτός από αυτή την υψηλή αποδοτικότητα στη συνεχή γαλακτωματοποίηση, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και είναι πολύ εύκολες στον χειρισμό και στον καθαρισμό. Οι υπέρηχοι πράγματι υποβοηθούν τον καθαρισμό και την έκπλυση. Η ισχύς των υπερήχων είναι ρυθμιζόμενη και μπορεί να προσαρμοστεί σε συγκεκριμένα προϊόντα και απαιτήσεις γαλακτωματοποίησης. Διατίθενται επίσης ειδικοί αντιδραστήρες κυψελίδας ροής που πληρούν τις προηγμένες απαιτήσεις CIP (επιτόπιος καθαρισμός) και SIP (επιτόπια αποστείρωση).

MultiPhaseCavitator (MPC48)
Το MultiPhaseCavitator είναι ένα ισχυρό εξάρτημα συμβατό με τους αντιδραστήρες κυψελίδας ροής υπερήχων της Hielscher: Με τη χρήση του ενθέματος MPC48, η διεσπαρμένη φάση εγχέεται μέσω 48 κανουλών ως λεπτά υγρά νήματα στη θερμή ζώνη υπερήχων, όπου η διεσπαρμένη φάση και η συνεχής φάση αναμειγνύονται με τη μορφή μικροσκοπικών σταγονιδίων, σχηματίζοντας ένα νανογαλάκτωμα.
Ανακαλύψτε πώς το MultiPhaseCavitator βελτιώνει τη γαλακτωματοποίηση!

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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