Emulsificación por cavitación ultrasónica
Una amplia gama de productos intermedios y de consumo – como cosméticos, lociones para la piel, pomadas farmacéuticas, barnices, pinturas, lubricantes y combustibles – se basan total o parcialmente en emulsiones.
Hielscher fabrica los procesadores ultrasónicos de líquidos industriales más grandes del mundo para la emulsificación eficiente de flujos de gran volumen en plantas de producción.
Cómo funciona la emulsificación ultrasónica
Aplicaciones de laboratorio: En entornos de laboratorio, el poder emulsionante de los ultrasonidos se conoce y se aplica desde hace mucho tiempo debido a las diversas ventajas que ofrecen la homogeneización y la emulsificación ultrasónicas.
La tecnología
Una emulsificación ultrasónica fiable se basa en el uso de sondas ultrasónicas, también conocidas como sonotrodos. El proceso funciona de la siguiente manera:
- Acoplamiento ultrasónico: A través de la sonda ultrasónica, se transmite ultrasonido de alta intensidad a los líquidos, lo que provoca cavitación acústica.
- Efecto de cavitación: La cavitación ultrasónica o acústica genera fuerzas de cizallamiento elevadas, que proporcionan la energía necesaria para fragmentar las gotas de gran tamaño hasta convertirlas en gotas de tamaño nanométrico.
- Formación de emulsiones: Se mezclan dos o más fases líquidas para formar una submicroemulsión o nanoemulsión uniforme.
Ampliación a escala industrial mediante tecnología de flujo continuo: El uso de celdas de flujo ultrasónicas permite una ampliación lineal hasta la producción industrial de nanoemulsiones, procesando grandes volúmenes en un sistema de flujo continuo.
Preparación ultrasónica de una nanoemulsión transparente utilizando el ultrasonido UP400ST.
Las ventajas de la emulsificación ultrasónica
La emulsificación por ultrasonidos utilizando un ultrasonicador tipo sonda ofrece varias ventajas sobre otras técnicas de emulsificación:
- Mejora de la estabilidad de la emulsión: La emulsificación ultrasónica crea gotas de menor tamaño y una distribución más uniforme, lo que mejora la estabilidad de la emulsión y prolonga su vida útil. Las gotas de tamaño submicrónico y nanométrico pueden producirse de forma fiable con ultrasonidos potentes.
- Eficiencia energética: La emulsificación ultrasónica requiere menos energía que otros métodos de emulsificación, lo que la convierte en un proceso más eficiente desde el punto de vista energético.
- Escalabilidad: La emulsificación ultrasónica puede ampliarse o reducirse fácilmente en función del volumen requerido, lo que la convierte en un proceso versátil tanto para aplicaciones de laboratorio como industriales.
- Ahorro de tiempo: La emulsificación por ultrasonidos puede ser un proceso muy rápido, con formación de emulsiones en segundos o minutos, dependiendo de los líquidos, el volumen y el equipo.
- Menor necesidad de tensioactivos: La emulsificación ultrasónica puede reducir la necesidad de tensioactivos, que suelen ser necesarios para estabilizar las emulsiones. Sin embargo, al reducirse el tamaño de la gota, aumenta la superficie de la partícula y es necesario cubrir más superficie con un tensioactivo. La ultrasonicación es compatible con casi cualquier tipo de tensioactivo, incluidos los emulsionantes alternativos y novedosos.
- Generación de calor mínima y controlable: La emulsificación ultrasónica es un proceso no térmico y la generación de calor durante el procesamiento puede evitarse o reducirse a un pequeño grado. De este modo, se reduce el riesgo de degradación térmica de compuestos o ingredientes sensibles.
Las ventajas de la emulsificación por ultrasonidos con ultrasonidos de sonda la convierten en una opción excelente para la emulsificación en diversos campos, como alimentación y bebidas, productos farmacéuticos, cosméticos, química fina y combustibles.
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¿Qué es una emulsión?Las emulsiones son dispersiones de dos o más líquidos inmiscibles. Los ultrasonidos de alta intensidad proporcionan la potencia necesaria para dispersar una fase líquida (fase dispersa) en forma de pequeñas gotas en el seno de una segunda fase (fase continua). En la zona de dispersión, las burbujas de cavitación implosionan, provocando intensas ondas de choque en el líquido circundante, lo que da lugar a la formación de chorros de líquido con altas velocidades.
Nanoemulsiones – La aplicación de potencia para sonicadores
Las nanoemulsiones son emulsiones con gotas que suelen tener un tamaño inferior a 100 nanómetros. Las nanoemulsiones ofrecen varias ventajas frente a las emulsiones convencionales, como propiedades funcionales únicas, mayor estabilidad, transparencia, etc.
La ultrasonicación supera a las tecnologías de emulsificación tradicionales, especialmente en lo que se refiere a la formación de nanoemulsiones. Esto se debe al principio de funcionamiento altamente eficiente e intensivo en energía de los ultrasonidos.
El siguiente vídeo muestra el proceso de emulsificación de aceite (amarillo) en agua (rojo) utilizando el ultrasonido de laboratorio UP400S.
Principio de funcionamiento de la emulsificación por ultrasonidos
Cavitación acústica: la fuerza motriz detrás de la emulsificación ultrasónica y la nanoemulsificación
La emulsificación ultrasónica se basa en los potentes efectos de la cavitación acústica, un fenómeno que se produce cuando ondas ultrasónicas de alta intensidad atraviesan un líquido. Durante este proceso, se forman burbujas microscópicas que crecen y luego colapsan violentamente. El colapso implosivo de estas burbujas genera condiciones localizadas extremas, que incluyen intensos gradientes de presión y temperatura, altas fuerzas de cizallamiento, ondas de choque y microchorros de líquido. Estas fuerzas descomponen eficazmente las partículas grandes, las gotas y los aglomerados en estructuras mucho más pequeñas.
La imagen de la izquierda muestra la cavitación acústica generada por el procesador ultrasónico UIP1000hdT (1000 W) mientras funciona en una columna de vidrio llena de líquido.
Cómo mejora la cavitación acústica la emulsificación
Tanto en la emulsificación como en la nanoemulsificación, la intensidad de la cavitación es un factor clave para determinar el tamaño de las gotas. A medida que las burbujas de cavitación colapsan, las fuerzas de cizallamiento resultantes fragmentan las gotas más grandes en otras cada vez más pequeñas. Al mismo tiempo, los cambios localizados de presión y temperatura favorecen la formación de nuevas gotas, al tiempo que contribuyen a estabilizar la emulsión.
Esta combinación de fragmentación y estabilización de las gotas permite que la tecnología ultrasónica produzca emulsiones muy uniformes con distribuciones granulométricas excepcionalmente finas.
Distribución del tamaño de las gotas en emulsiones de agua y aceite de oliva preparadas mediante (a) el método clásico de homogeneización y (b) el método de homogeneización ultrasónica (utilizando el UP400S) con MD, WPI y su mezcla, con un 40 % de materia seca y un 9 % de contenido en aceite (p/p). La emulsificación ultrasónica da lugar a gotas significativamente más pequeñas, una menor separación de fases y una mejor estabilidad general de la emulsión.
(estudio y gráficos: Zungur et al., 2015)
Sondas ultrasónicas para una emulsificación eficaz
Hielscher ofrece una amplia gama de ultrasonidos de tipo sonda y accesorios para la emulsificación y dispersión eficaz de líquidos en modo discontinuo y de flujo continuo.
Los sistemas compuestos por varios procesadores ultrasónicos de hasta 16.000 vatios cada uno, proporcionan la capacidad necesaria para traducir esta aplicación de laboratorio en un método de producción eficaz para obtener emulsiones finamente dispersas en flujo continuo o por lotes. – logrando resultados comparables a los mejores homogeneizadores de alta presión actualmente disponibles, como las nuevas válvulas de orificio. Además de esta alta eficiencia en la emulsión continua, los dispositivos ultrasónicos de Hielscher requieren un mantenimiento muy bajo y resultan muy fáciles de operar y limpiar. El ultrasonido de hecho refuerza la limpieza y el aclarado. La potencia ultrasónica se puede ajustar y adaptar a productos y requisitos de emulsión específicos. También disponemos de reactores de flujo especiales que cumplen las altas condiciones CIP (limpieza in situ) y SIP (esterilización in situ).
El MultiSonoReactor MSR-4 es un reactor industrial de homogeneización en línea adecuado para procesos de (nano)emulsificación de alto rendimiento.
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Cavitador multifásico (MPC48)
El MultiPhaseCavitator es un potente accesorio compatible con los reactores ultrasónicos de célula de flujo de Hielscher: mediante el inserto MPC48, la fase dispersa se inyecta a través de 48 cánulas en forma de finos hilos de líquido en la zona caliente ultrasónica, donde la fase dispersa y la fase continua se mezclan en forma de gotitas minúsculas para formar una nanoemulsión.
¡Descubre cómo el MultiPhaseCavitator mejora la emulsificación!
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Literatura / Referencias
- 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
Información interesante
Definición del término “emulsión”
Una emulsión es una mezcla de dos o más líquidos inmiscibles, como el aceite y el agua.
Las emulsiones pueden ser de aceite en agua (gotas de aceite dispersas en agua) o de agua en aceite (gotas de agua dispersas en aceite). Las emulsiones se utilizan en diversas aplicaciones, como productos alimentarios (como aliños para ensaladas y mayonesa), cosméticos (como lociones y cremas) y farmacéuticos (como vacunas).
Un emulsionante actúa reduciendo la tensión superficial entre las dos sustancias inmiscibles (como el aceite y el agua) de una emulsión. Esto reduce la tendencia de las dos sustancias a separarse y les permite formar una mezcla estable.
¿Cómo se hace estable una emulsión?
Una emulsión se hace estable impidiendo que la fase dispersa (gotas de un líquido) se fusione y se separe de la fase continua (el líquido circundante). Para lograr la estabilidad de las emulsiones hay que tener en cuenta varios puntos clave:
- Emulsionantes (tensioactivos):
– Papel: Los emulsionantes son moléculas que tienen extremos hidrófilos (que atraen el agua) e hidrófobos (que la repelen).
– Acción: Reducen la tensión superficial entre los dos líquidos inmiscibles y forman una capa protectora alrededor de las gotas, impidiendo que se fusionen.
– Ejemplos: Lecitina, polisorbatos y estearoil lactilato sódico. - Métodos mecánicos:
Mezcla de alto rendimiento: Utilización de mezcladores u homogeneizadores de alto cizallamiento para romper las gotas en tamaños más pequeños, aumentando la superficie y mejorando la estabilidad. Los sonicadores de sonda son un método excelente y muy fiable que utiliza fuerzas de cizallamiento sonomecánicas. Estas fuerzas de cizallamiento ultrasónicas rompen las gotas grandes en gotas diminutas y mezclan las fases inmiscibles en una emulsión estable. - Modificadores de la viscosidad:
Espesantes: Aumentar la viscosidad de la fase continua puede ralentizar el movimiento de las gotas, reduciendo la probabilidad de coalescencia.
– Ejemplos: Goma xantana, goma guar y carboximetilcelulosa. - Agentes estabilizadores:
– Polímeros: Los polímeros pueden proporcionar estabilización estérica formando una capa gruesa alrededor de las gotitas.
– Ejemplos: Pectina, gelatina y ciertas proteínas. - Estabilización electrostática:
– Carga: Algunos emulsionantes imparten una carga eléctrica a la superficie de las gotas, haciendo que se repelan entre sí y reduciendo así la coalescencia.
– Ejemplos: Caseinato de sodio y lecitina de soja. - Control de temperatura:
– Refrigeración: Bajar la temperatura puede aumentar la viscosidad de la fase continua y reducir la energía cinética de las gotas, evitando la coalescencia.
– Evitar la separación de fases: Garantizar que la temperatura se mantiene dentro de un rango que impide que los componentes se separen. - Aditivos:
– Antioxidantes: Evitar la oxidación puede ayudar a mantener la integridad del emulsionante y otros componentes.
– Agentes quelantes: Fijación de iones metálicos que, de otro modo, podrían desestabilizar la emulsión.
Aplicando la técnica correcta de emulsificación, las emulsiones pueden hacerse estables, garantizando que la mezcla permanezca homogénea y conserve sus propiedades deseadas a lo largo del tiempo.
Emulsionantes estabilizadores
En general, las emulsiones requieren una estabilización mediante un agente emulsionante o tensioactivo. Los emulsionantes son anfifílicos, es decir, atraen tanto el agua como las sustancias grasas. Esto significa que tienen propiedades hidrófilas (amantes del agua) e hidrófobas (amantes del aceite), lo que les permite interactuar tanto con la fase oleosa como con la fase acuosa de la emulsión. La parte hidrofílica de la molécula emulsionante se adhiere a las moléculas de agua, mientras que la parte hidrofóbica se adhiere a las moléculas de aceite.
Al rodear las gotitas de aceite con moléculas emulsionantes, el emulsionante crea una capa protectora alrededor de las gotitas que impide que entren en contacto entre sí y se fusionen (se unan) para formar gotitas más grandes. Esto ayuda a mantener estable la emulsión y evita su separación.
Dado que la coalescencia de las gotas después de la disrupción influye en la distribución final del tamaño de las gotas, se utilizan emulsionantes eficientemente estabilizadores para mantener la distribución final del tamaño de las gotas a un nivel que sea igual a la distribución inmediatamente después de la disrupción de las gotas en la zona de dispersión ultrasónica. De hecho, los estabilizadores mejoran la disrupción de las gotas con una densidad de energía constante.
Algunos ejemplos de emulgentes de uso común son la lecitina (que se encuentra en la yema de huevo y la soja), los mono- y diglicéridos, el polisorbato 80 y el estearoil lactilato sódico.
Las miniemulsiones, que pueden crearse eficazmente mediante ultrasonidos, potencian las reacciones químicas. Polimerización en macroemulsión (a) frente a polimerización en miniemulsión (b) [Schork et al. 2005: 136].
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.