Γαλακτωματοποίηση με υπερήχων σπηλαίωση
Ένα ευρύ φάσμα ενδιάμεσων και καταναλωτικών προϊόντων, όπως καλλυντικά και λοσιόν δέρματος, φαρμακευτικές αλοιφές, βερνίκια, χρώματα και λιπαντικά και καύσιμα βασίζονται εξ ολοκλήρου ή εν μέρει σε γαλακτώματα. Hielscher κατασκευάζει το μεγαλύτερο βιομηχανικό υπερήχων υγρό επεξεργαστές στον κόσμο για την αποτελεσματική γαλακτωματοποίηση των ροών μεγάλου όγκου σε εγκαταστάσεις παραγωγής.
Υπερήχων γαλακτωματοποίηση
Στο εργαστήριο, η δύναμη γαλακτωματοποίησης του υπερήχου είναι γνωστή και εφαρμόζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω διαφόρων πλεονεκτημάτων που συνδέονται με την ομογενοποίηση υπερήχων και τη γαλακτωματοποίηση. Αξιόπιστη υπερήχων γαλακτωματοποίηση βασίζεται στη χρήση υπερήχων ανιχνευτές, τα λεγόμενα sonotrodes. Μέσω του υπερηχητικού καθετήρα, ο υπέρηχος υψηλής έντασης συνδυάζεται σε υγρά και δημιουργεί ακουστική σπηλαίωση. Υπερήχων ή ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί υψηλές δυνάμεις διάτμησης, οι οποίες παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια για να διαταράξουν τα μεγάλα σταγονίδια κάτω σε σταγονίδια νανο-μεγέθους. Με αυτόν τον τρόπο, δύο ή περισσότερες υγρές φάσεις αναμειγνύονται σε ένα ομοιόμορφο υπογαλάκτωμα ή νανογαλάκτωμα.
Η χρήση κυττάρων ροής υπερήχων επιτρέπει τη γραμμική κλιμάκωση μέχρι τη βιομηχανική παραγωγή νανογαλακτωμάτων που επεξεργάζονται ροές μεγάλου όγκου σε συνεχή ροή.
MultiPhaseCavitator: Το μοναδικό ένθετο κυψελών ροής Hielscher MPC48 είναι ένα ισχυρό εξάρτημα συμβατό με τους αντιδραστήρες κυψελών ροής υπερήχων Hielscher. Χρησιμοποιώντας το ένθετο MPC48, η διασκορπισμένη φάση εγχέεται μέσω 48 σωληνίσκων ως λεπτές υγρές κλώνοι στην υπερηχητική θερμή ζώνη, όπου η διασκορπισμένη φάση και η συνεχής φάση αναμειγνύονται ως λεπτά σταγονίδια σε νανογαλάκτωμα. Διαβάστε περισσότερα για το ένθετο κυττάρων ροής υπερήχων MPC48!
Πλεονεκτήματα της υπερηχητικής γαλακτωματοποίησης
Υπερήχων γαλακτωματοποίηση χρησιμοποιώντας ένα καθετήρα-τύπου υπερήχων προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνικές γαλακτωματοποίησης:
- Βελτιωμένη σταθερότητα γαλακτώματος: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση δημιουργεί μικρότερα μεγέθη σταγονιδίων και πιο ομοιόμορφη κατανομή σταγονιδίων, με αποτέλεσμα βελτιωμένη σταθερότητα γαλακτώματος και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Τα σταγονίδια μεγέθους υπομικρονίου και νανο-μεγέθους μπορούν να παραχθούν αξιόπιστα χρησιμοποιώντας υπερήχους ισχύος.
- Ενεργειακή απόδοση: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση απαιτεί λιγότερη ενέργεια από ό, τι άλλες μεθόδους γαλακτωματοποίησης, καθιστώντας την μια πιο ενεργειακά αποδοτική διαδικασία.
- Επεκτασιμότητα: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί προς τα πάνω ή προς τα κάτω ανάλογα με τον απαιτούμενο όγκο, καθιστώντας την μια ευέλικτη διαδικασία τόσο για εργαστηριακές όσο και για βιομηχανικές εφαρμογές.
- Εξοικονόμηση χρόνου: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση μπορεί να είναι μια πολύ γρήγορη διαδικασία, με γαλακτώματα που σχηματίζονται σε δευτερόλεπτα έως λεπτά, ανάλογα με τα υγρά, τον όγκο και τον εξοπλισμό.
- Μειωμένη ανάγκη για επιφανειοδραστικές ουσίες: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση μπορεί να μειώσει την ανάγκη για επιφανειοδραστικές ουσίες, οι οποίες συχνά απαιτούνται για τη σταθεροποίηση γαλακτώματα. Ωστόσο, με μειωμένο μέγεθος σταγονιδίων, η επιφάνεια του σωματιδίου αυξάνεται και περισσότερη επιφάνεια πρέπει να καλύπτεται από επιφανειοδραστική ουσία. Υπερήχους είναι συμβατό με σχεδόν κάθε είδους επιφανειοδραστική ουσία, συμπεριλαμβανομένων των εναλλακτικών και νέων γαλακτωματοποιητών.
- Ελάχιστη και ελεγχόμενη παραγωγή θερμότητας: Υπερήχων γαλακτωματοποίηση είναι μια μη θερμική διαδικασία και η παραγωγή θερμότητας κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας μπορεί να αποφευχθεί ή να μειωθεί σε μικρό βαθμό. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται ο κίνδυνος θερμικής υποβάθμισης ευαίσθητων ενώσεων ή συστατικών.
Τα πλεονεκτήματα της γαλακτωματοποίησης υπερήχων χρησιμοποιώντας έναν υπερηχητικό τύπο καθετήρα το καθιστούν μια εξαιρετική επιλογή για γαλακτωματοποίηση σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των τροφίμων και ποτών, φαρμακευτικά προϊόντα, καλλυντικά, λεπτές χημικές ουσίες και καύσιμα.
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με υπερήχων μαγιονέζα γαλακτωματοποίηση!
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την παραγωγή γαλακτωμάτων κεριού παραφίνης χρησιμοποιώντας υπερήχους!
Διαβάστε περισσότερα για Νερό-σε-ντίζελ γαλακτώματα που παράγονται χρησιμοποιώντας υπερήχους!
Το παρακάτω βίντεο δείχνει τη διαδικασία γαλακτωματοποίησης του ελαίου (κίτρινο) σε νερό (κόκκινο) χρησιμοποιώντας το εργαστήριο υπερήχων UP400S.
Τα γαλακτώματα είναι διασπορές δύο ή περισσότερων μη αναμίξιμων υγρών. Ο εξαιρετικά εντατικός υπέρηχος παρέχει την ισχύ που απαιτείται για τη διασπορά μιας υγρής φάσης (διασκορπισμένη φάση) σε μικρά σταγονίδια σε μια δεύτερη φάση (συνεχής φάση). Στη ζώνη διασποράς, οι φυσαλίδες σπηλαίωσης που καταρρέουν προκαλούν έντονα κρουστικά κύματα στο περιβάλλον υγρό και έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό υγρών πίδακες υψηλής ταχύτητας υγρού.
νανογαλακτώματα – Μια εφαρμογή ισχύος για υπερήχους
Τα νανογαλακτώματα είναι γαλακτώματα με σταγονίδια που είναι συνήθως μικρότερα από 100 νανόμετρα σε μέγεθος. Τα νανογαλακτώματα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών γαλακτωμάτων, συμπεριλαμβανομένων μοναδικών λειτουργικών ιδιοτήτων, υψηλότερης σταθερότητας, διαφάνειας κ.λπ.
Υπερήχους ξεπερνά τις παραδοσιακές τεχνολογίες γαλακτωματοποίησης, ειδικά όταν πρόκειται για το σχηματισμό νανογαλακτωμάτων. Αυτό οφείλεται στην εξαιρετικά αποδοτική και ενεργοβόρα αρχή λειτουργίας των υπερήχων.
Αρχή εργασίας της υπερηχητικής γαλακτωματοποίησης
Οι διαδικασίες γαλακτωματοποίησης υπερήχων χρησιμοποιούν τις δυνάμεις της ακουστικής σπηλαίωσης. Η ακουστική σπηλαίωση αναφέρεται στο φαινόμενο του σχηματισμού, της ανάπτυξης και της εκρηκτικής κατάρρευσης μικρών φυσαλίδων σε ένα υγρό μέσο που υποβάλλεται σε κύματα υπερήχων υψηλής έντασης. Η κατάρρευση αυτών των φυσαλίδων δημιουργεί έντονες τοπικές κλίσεις πίεσης και θερμοκρασίας, οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν δυνάμεις υψηλής διάτμησης, κρουστικά κύματα και μικροπίδακες που μπορούν να διασπάσουν μεγάλα σωματίδια και να συσσωματωθούν σε μικρότερα. Η εικόνα αριστερά δείχνει υπερήχων σπηλαίωση που παράγεται στον καθετήρα του υπερήχων UIP1000hdT (1000 watts) σε μια στήλη γυαλιού γεμάτη υγρό.
Στη γαλακτωματοποίηση και τη νανογαλακτωματοποίηση, η ένταση της ακουστικής σπηλαίωσης παίζει κρίσιμο ρόλο στη μείωση του μεγέθους των σταγονιδίων στο γαλάκτωμα. Η εκρηκτική κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης μπορεί να δημιουργήσει ισχυρές δυνάμεις διάτμησης που διασπούν μεγαλύτερα σταγονίδια σε μικρότερα. Επιπλέον, οι τοπικές κλίσεις πίεσης και θερμοκρασίας που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση μπορούν επίσης να προωθήσουν το σχηματισμό νέων σταγονιδίων και να σταθεροποιήσουν το γαλάκτωμα.
Η μοναδική πτυχή της ακουστικής σπηλαίωσης είναι η ικανότητά της να παρέχει τοπική και έντονη εισροή ενέργειας στο υγρό μέσο, χωρίς την ανάγκη για υψηλές μηχανικές ή θερμικές καταπονήσεις. Αυτό το καθιστά μια ελκυστική τεχνική για νανογαλακτωματοποίηση, καθώς μπορεί να μειώσει την εισροή ενέργειας που απαιτείται για τη διαδικασία γαλακτωματοποίησης, επιτυγχάνοντας παράλληλα μικρότερο μέγεθος σταγονιδίων και στενότερη κατανομή μεγέθους σταγονιδίων.
Λόγω αυτών των ακριβώς ελεγχόμενων υπερηχητικών δυνάμεων, η ακουστική σπηλαίωση είναι ένα ισχυρό εργαλείο για νανογαλακτωματοποίηση. Η ικανότητά του να παράγει τοπική και έντονη εισροή ενέργειας επιτρέπει τη διάσπαση μεγαλύτερων σταγονιδίων σχηματίζοντας υπομικρά και νανομεγέθη με πολύ υψηλή απόδοση.
Μελέτες σε γαλακτώματα ελαίου σε νερό (φάση νερού) και νερού σε γαλακτώματα ελαίου (φάση ελαίου) έχουν δείξει τη συσχέτιση μεταξύ της ενεργειακής πυκνότητας και του μεγέθους των σταγονιδίων (π.χ. διάμετρος Sauter). Υπάρχει σαφής τάση για μικρότερο μέγεθος σταγονιδίων στην αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας (Κάντε κλικ στο δεξί γραφικό). Σε κατάλληλα επίπεδα ενεργειακής πυκνότητας, ο υπέρηχος μπορεί εύκολα και αξιόπιστα να επιτύχει μέσα μεγέθη σταγονιδίων στη νανο-περιοχή.
Υπερήχων ανιχνευτές για αποτελεσματική γαλακτωματοποίηση
Hielscher προσφέρει ένα ευρύ φάσμα καθετήρα-τύπου υπερήχων και αξεσουάρ για την αποτελεσματική γαλακτωματοποίηση και διασπορά των υγρών σε παρτίδα και ροή-μέσω τρόπο.
Συστήματα που αποτελούνται από διάφορους επεξεργαστές υπερήχων μέχρι 16.000 watt το καθένα, παρέχουν την ικανότητα που απαιτείται για τη μετάφραση αυτής της εργαστηριακής εφαρμογής σε μια αποτελεσματική μέθοδο παραγωγής για την απόκτηση λεπτών διασκορπισμένων γαλακτωμάτων σε συνεχή ροή ή σε παρτίδα – επιτυγχάνοντας αποτελέσματα συγκρίσιμα με αυτά των καλύτερων διαθέσιμων ομογενοποιητών υψηλής πίεσης σήμερα, όπως η νέα βαλβίδα στομίου. Εκτός από αυτή την υψηλή απόδοση στη συνεχή γαλακτωματοποίηση, Hielscher συσκευές υπερήχων απαιτούν πολύ χαμηλή συντήρηση και είναι πολύ εύκολο να λειτουργήσει και να καθαριστεί. Ο υπέρηχος υποστηρίζει πραγματικά τον καθαρισμό και το ξέπλυμα. Η υπερηχητική ισχύς είναι ρυθμιζόμενη και μπορεί να προσαρμοστεί σε συγκεκριμένα προϊόντα και απαιτήσεις γαλακτωματοποίησης. Διατίθενται επίσης ειδικοί αντιδραστήρες κυψελών ροής που πληρούν τις προηγμένες απαιτήσεις CIP (clean-in-place) και SIP (sterilize-in-place).
Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
---|---|---|
0.5 έως 1.5mL | μ.δ. | VialTweeter | 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
15 έως 150L | 3 έως 15L / λεπτό | UIP6000hdT |
μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
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.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Ορισμός του όρου “γαλάκτωμα”
Ένα γαλάκτωμα είναι ένα μείγμα δύο ή περισσότερων μη αναμίξιμων υγρών, όπως το λάδι και το νερό.
Τα γαλακτώματα μπορεί να είναι είτε λάδι σε νερό (όπου σταγονίδια ελαίου διασκορπίζονται στο νερό) είτε νερό σε λάδι (όπου σταγονίδια νερού διασκορπίζονται σε λάδι). Τα γαλακτώματα χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των προϊόντων διατροφής (όπως σάλτσες σαλάτας και μαγιονέζα), των καλλυντικών (όπως λοσιόν και κρέμες) και των φαρμακευτικών προϊόντων (όπως τα εμβόλια).
Ένας γαλακτωματοποιητής λειτουργεί μειώνοντας την επιφανειακή τάση μεταξύ των δύο μη αναμίξιμων ουσιών (όπως το λάδι και το νερό) σε ένα γαλάκτωμα. Αυτό μειώνει την τάση των δύο ουσιών να διαχωρίζονται και τους επιτρέπει να σχηματίζουν ένα σταθερό μείγμα.
Πώς γίνεται σταθερό ένα γαλάκτωμα;
Ένα γαλάκτωμα γίνεται σταθερό εμποδίζοντας τη διεσπαρμένη φάση (σταγονίδια ενός υγρού) να συγχωνευθεί και να διαχωριστεί από τη συνεχή φάση (το περιβάλλον υγρό). Πρέπει να ληφθούν υπόψη αρκετά βασικά σημεία για την επίτευξη σταθερότητας στα γαλακτώματα:
- Γαλακτωματοποιητές (επιφανειοδραστικές ουσίες):
– Ρόλος: Οι γαλακτωματοποιητές είναι μόρια που έχουν τόσο υδρόφιλα (έλξη νερού) όσο και υδρόφοβα (υδατοαπωθητικά) άκρα.
– Ενέργεια: Μειώνουν την επιφανειακή τάση μεταξύ των δύο μη αναμίξιμων υγρών και σχηματίζουν ένα προστατευτικό στρώμα γύρω από τα σταγονίδια, εμποδίζοντάς τα να συγχωνευθούν.
– Παραδείγματα: Λεκιθίνη, πολυσορβικά και στεαροϋλογαλακτυλικό νάτριο. - Μηχανικές μέθοδοι:
Ανάμιξη υψηλής απόδοσης: Χρησιμοποιώντας μίξερ υψηλής διάτμησης ή ομογενοποιητές για να σπάσετε τα σταγονίδια σε μικρότερα μεγέθη, αυξάνοντας την επιφάνεια και ενισχύοντας τη σταθερότητα. Οι υπερήχων τύπου καθετήρα είναι μια εξαιρετική και πολύ αξιόπιστη μέθοδος που χρησιμοποιεί sonomechanical δυνάμεις διάτμησης. Αυτές οι υπερηχητικές δυνάμεις διάτμησης σπάνε μεγάλα σταγονίδια σε λεπτά σταγονίδια και αναμειγνύουν τις μη αναμίξιμες φάσεις σε ένα σταθερό γαλάκτωμα. - Τροποποιητές ιξώδους:
Πυκνωτικά: Η αύξηση του ιξώδους της συνεχούς φάσης μπορεί να επιβραδύνει την κίνηση των σταγονιδίων, μειώνοντας την πιθανότητα συσσωμάτωσης.
– Παραδείγματα: Κόμμι ξανθάνης, κόμμι γκουάρ και καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη. - Σταθεροποιητικοί παράγοντες:
– Πολυμερή: Τα πολυμερή μπορούν να παρέχουν στερική σταθεροποίηση σχηματίζοντας ένα παχύ στρώμα γύρω από σταγονίδια.
– Παραδείγματα: Πηκτίνη, ζελατίνη και ορισμένες πρωτεΐνες. - Ηλεκτροστατική σταθεροποίηση:
– Κατηγορώ: Μερικοί γαλακτωματοποιητές προσδίδουν ηλεκτρικό φορτίο στην επιφάνεια των σταγονιδίων, προκαλώντας τους να απωθούν ο ένας τον άλλον και έτσι να μειώσουν τη συσσωμάτωση.
– Παραδείγματα: Καζεϊνικό νάτριο και λεκιθίνη σόγιας. - Έλεγχος θερμοκρασίας:
– Ψύξη: Η μείωση της θερμοκρασίας μπορεί να αυξήσει το ιξώδες της συνεχούς φάσης και να μειώσει την κινητική ενέργεια των σταγονιδίων, αποτρέποντας τη συσσωμάτωση.
– Αποφυγή διαχωρισμού φάσεων: Διασφάλιση ότι η θερμοκρασία παραμένει εντός εύρους που εμποδίζει τον διαχωρισμό των εξαρτημάτων. - Πρόσθετα:
– Αντιοξειδωτικά: Η πρόληψη της οξείδωσης μπορεί να βοηθήσει στη διατήρηση της ακεραιότητας του γαλακτωματοποιητή και άλλων συστατικών.
– Χηλικοί παράγοντες: Δέσμευση μεταλλικών ιόντων που διαφορετικά θα μπορούσαν να αποσταθεροποιήσουν το γαλάκτωμα.
Εφαρμόζοντας τη σωστή τεχνική γαλακτωματοποίησης, τα γαλακτώματα μπορούν να γίνουν σταθερά, διασφαλίζοντας ότι το μείγμα παραμένει ομοιογενές και διατηρεί τις επιθυμητές ιδιότητές του με την πάροδο του χρόνου.
Σταθεροποιητικοί γαλακτωματοποιητές
Γενικά, τα γαλακτώματα απαιτούν σταθεροποίηση χρησιμοποιώντας γαλακτωματοποιητικό παράγοντα ή επιφανειοδραστικό. Οι γαλακτωματοποιητές είναι αμφίφιλοι – προσελκύουν τόσο νερό όσο και λιπαρές ουσίες. Αυτό σημαίνει ότι έχουν υδρόφιλες (που αγαπούν το νερό) και υδρόφοβες (που αγαπούν το πετρέλαιο) ιδιότητες, οι οποίες τους επιτρέπουν να αλληλεπιδρούν τόσο με τις φάσεις ελαίου όσο και με το νερό του γαλακτώματος. Το υδρόφιλο μέρος του μορίου γαλακτωματοποιητή προσκολλάται στα μόρια του νερού, ενώ το υδρόφοβο μέρος προσκολλάται στα μόρια ελαίου.
Περιβάλλοντας τα σταγονίδια ελαίου με μόρια γαλακτωματοποιητή, ο γαλακτωματοποιητής δημιουργεί ένα προστατευτικό στρώμα γύρω από τα σταγονίδια που τα εμποδίζει να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους και να συγχωνευθούν (ενωθούν μεταξύ τους) για να σχηματίσουν μεγαλύτερα σταγονίδια. Αυτό βοηθά να διατηρηθεί το γαλάκτωμα σταθερό και αποτρέπει το διαχωρισμό.
Καθώς η συσσωμάτωση των σταγονιδίων μετά τη διαταραχή επηρεάζει την τελική κατανομή μεγέθους σταγονιδίων, χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά σταθεροποιητικοί γαλακτωματοποιητές για τη διατήρηση της τελικής κατανομής μεγέθους σταγονιδίων σε επίπεδο ίσο με την κατανομή αμέσως μετά τη διάσπαση σταγονιδίων στη ζώνη διασποράς υπερήχων. Οι σταθεροποιητές οδηγούν στην πραγματικότητα σε βελτιωμένη διάσπαση σταγονιδίων σε σταθερή ενεργειακή πυκνότητα.
Παραδείγματα κοινώς χρησιμοποιούμενων γαλακτωματοποιητών περιλαμβάνουν λεκιθίνη (η οποία βρίσκεται σε κρόκους αυγών και σόγια), μονο- και διγλυκερίδια, πολυσορβικό 80, και στεαροϋλογαλακτυλικό νάτριο.