Emulsiones de aceite en agua

Una emulsión está formada por dos líquidos inmiscibles finamente dispersos entre sí. En las emulsiones de aceite en agua, la fase aceitosa (fase dispersa) se mezcla uniformemente con la fase acuosa (fase continua). Los emulsionantes ultrasónicos están bien establecidos para preparar emulsiones de aceite en agua y nanoemulsiones. Las emulsiones ultrasónicas destacan por la dispersión uniforme de las gotas y la estabilidad a largo plazo, por lo que se utilizan ampliamente en laboratorios y en la industria.

emulsiones ultrasónicas de aceite en agua

Las emulsiones de aceite en agua (O/W) se utilizan ampliamente en muchos productos de consumo como alimentos, bebidas, cosméticos, productos farmacéuticos, etc., así como en la industria (por ejemplo, ciencia de materiales, polímeros, pinturas, revestimientos, química fina, etc.).

Definición de emulsión de aceite en agua

La ultrasonicación es una técnica eficaz de emulsificación y nanoemulsificación.Una emulsión de aceite en agua es una mezcla en la que una fase oleosa se dispersa en agua u otro líquido acuoso. Pequeñas gotas de aceite se dispersan finamente en la fase acuosa (fase continua) para crear esta emulsión de aceite en agua. Si el aceite (fase dispersa) se dispersa en agua (fase continua), se trata de una emulsión de aceite en agua; si se añaden gotitas de agua a una fase aceitosa continua, se denomina emulsión de agua en aceite.
En las emulsiones de aceite en agua, la calidad de la emulsión resultante depende de la formulación (proporción aceite:agua, agente emulsionante) y de la técnica de emulsificación. Los emulsionantes ultrasónicos utilizan la cavitación acústica, que se caracteriza por intensas fuerzas de alto cizallamiento y turbulencias en el líquido. Estas fuerzas altamente intensas rompen las dos fases líquidas inmiscibles en gotitas diminutas y las mezclan uniformemente entre sí. La emulsificación ultrasónica puede generar fácilmente partículas nanométricas con tamaños de gota de hasta 10 nm. El tamaño tan pequeño de las gotas y la distribución homogénea y uniforme del tamaño de las gotas de las emulsiones preparadas por ultrasonidos convierten a la sonicación en la técnica de emulsificación preferida.
 

En este vídeo hacemos una nanoemulsión de aceite de cáñamo rico en CBD en agua utilizando un ultrasonicador Hielscher UP400St. A continuación medimos la nanoemulsión utilizando un NANO-flex DLS. Los resultados de las mediciones muestran una distribución del tamaño de las partículas muy estrecha y pesada en volumen en el rango de 9 a 40 nanómetros. El 95% de todas las partículas son inferiores a 28 nanómetros.

Nanoemulsión de CBD - ¡Produce una nanoemulsión translúcida utilizando un homogeneizador ultrasónico UP400St!

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Emulsificación ultrasónica: Los ultrasonidos de potencia son un método fiable y eficaz para la preparación de nanoemulsiones.

La sonicación permite producir nanoemulsiones transparentes y estables a largo plazo.

La curva muestra la distribución de gotas a escala nanométrica de una nanoemulsión de aceite en agua dispersada por ultrasonidos. Esta emulsión ultrasónica consiste en aceite esencial de menta emulsionado en una fase acuosa continua.

La curva muestra la distribución de gotas a escala nanométrica de una nanoemulsión de aceite en agua dispersada por ultrasonidos. Esta emulsión ultrasónica consiste en aceite esencial de menta emulsionado en una fase acuosa continua.

Ventajas de la emulsificación ultrasónica

La emulsificación ultrasónica supera a otras técnicas de emulsificación, como la homogeneización a alta presión, la mezcla de alto cizallamiento y la microfluidización, por su eficacia, la producción uniforme de nanogotas, la gran estabilidad de la emulsión y la capacidad de tratar cualquier volumen, desde pequeños tubos y vasos de precipitados hasta grandes flujos.
Por ejemplo, Li y Xiang (2019) demostraron en su estudio comparativo de la homogeneización a alta presión y la emulsificación por ultrasonidos que la emulsificación por ultrasonidos produce emulsiones más uniformes y estables. La agregación en las emulsiones de aceite de coco en agua apareció solo después de ser sometidas a homogeneización a alta presión, mientras que la emulsión hecha por emulsificación ultrasónica permaneció estable durante 30 días de almacenamiento.
En comparación con la agitación mecánica, las emulsiones preparadas mediante la técnica ultrasónica resultaron ser más estables durante más tiempo que las emulsiones preparadas mediante agitación mecánica, lo que puede atribuirse al pequeño tamaño de las gotas, que se estabilizan termodinámicamente. La técnica ultrasónica proporciona emulsiones más estables que el método convencional de agitación mecánica. (cf. Ramisetty y Shyamsunder, 2011)
O'Sullivan et al. (2015) demuestran en su estudio que la emulsificación por ultrasonidos produce emulsiones submicrónicas (menos de 200 nm). Sin embargo, las nanoemulsiones con un tamaño de gota uniforme de 10 nm se pueden lograr fácilmente y de forma fiable en condiciones optimizadas. El tamaño de gota de las emulsiones producidas por ultrasonidos es una función del tiempo de procesamiento y de la amplitud ultrasónica tanto para el procesamiento por lotes como para el continuo.

Ventajas de las emulsiones ultrasónicas

  • proceso altamente eficaz
  • submicras y nanogotas
  • distribución uniforme del tamaño de gota
  • resultados reproducibles
  • para cualquier volumen
  • controlable con precisión
  • lineal escalable
  • Seguro y fácil de manejar
Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

Preparación por ultrasonidos de una emulsión de aceite en agua (O/W) (agua roja / aceite amarillo). Unos segundos de sonicación convierten las fases separadas de agua/aceite en una emulsión fina.

Principio de funcionamiento de la emulsificación por ultrasonidos

La producción ultrasónica de emulsiones y nanoemulsiones (como las emulsiones de aceite en agua y agua en aceite) se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica. Para crear cavitación acústica, se generan ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia mediante un transductor de ultrasonidos y se transmiten a través de una bocina ultrasónica y una sonda (sonotrodo) a un líquido. Se consideran ultrasonidos de alta potencia los que se encuentran en el intervalo de 16-30 kHz. La sonda de ultrasonidos se expande y contrae, por ejemplo, a 20kHz, transmitiendo así respectivamente 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través del líquido, la alternancia de ciclos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción / expansión) crea cavidades diminutas (burbujas de vacío), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante la fase de compresión del líquido y las burbujas, la presión es positiva, mientras que la fase de rarefacción produce un vacío (presión negativa). Durante los ciclos de compresión-expansión, las cavidades del líquido crecen hasta alcanzar un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a diversos efectos altamente energéticos, que se conocen como fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos que afectan a los sistemas líquido-líquido, sólido-líquido y gas-líquido. La zona densa en energía o zona de cavitación se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las proximidades de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia desde el sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones localmente muy elevadas y sus respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de cavidades ultrasónicas en puntos calientes ultrasónicos, se pueden medir temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas extraordinarias condiciones de alta intensidad energética contribuyen a los efectos sonomecánicos que intensifican los procesos mediante mezclas, dispersiones y emulsiones muy eficaces. Las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas, la corriente de líquido y las turbulencias desorganizan las gotas y las mezclan uniformemente entre sí. La ultrasonicación de alto rendimiento produce de forma fiable nanogotas con una distribución uniforme del tamaño. Esto hace que la emulsificación ultrasónica sea el método preferido para preparar emulsiones / nanoemulsiones de aceite en agua con gran estabilidad de emulsión y vida útil.

Nanoemulsiones ultrasónicas: Este vídeo demuestra la rápida producción de una nano-emulsión de aceite en agua. El UP200Ht homogeneiza el aceite y el agua en segundos.

Emulsionado por ultrasonidos con UP200Ht con sonda S26d14

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Ultrasonidos Hielscher UP400St para emulsiones de aceite en agua

Preparación de una emulsión nano transparente de aceite en agua (O/W) con el ultrasonicador UP400St

Efectos de la intensidad de los ultrasonidos en la calidad de la emulsión

La calidad de la emulsión se caracteriza principalmente por su estabilidad. A su vez, la estabilidad de la emulsión es un factor de la distribución del tamaño de las gotas y de la formulación de la emulsión.
La intensidad ultrasónica, es decir, la amplitud y la duración de la sonicación, son factores importantes que influyen en la calidad de la emulsión obtenida.
En la investigación, la emulsificación ultrasónica se divide en dos fases: Durante la primera, se produce una combinación de ondas interfaciales e inestabilidad de Rayleigh-Taylor que provoca la irrupción de gotas de fase dispersa en la fase continua.
Durante el segundo paso, las gotas se rompen mediante cavitación acústica cerca de las fases límite de las gotas. Los intensos efectos de ruptura y mezcla de las gotas causados por las ondas de choque cavitacionales generan tamaños de gotas muy pequeños. La intensidad ultrasónica, la amplitud y el tiempo de sonicación son los responsables del impacto obtenido de la cavitación y, por tanto, los parámetros más influyentes en relación con la emulsificación de tamaño fino. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.

Emulsionadores ultrasónicos de alto rendimiento

La emulsificación por ultrasonidos es una tecnología de procesamiento fiable que facilita y acelera la producción de emulsiones de alta calidad con gotas de tamaño submicrónico y nanométrico. La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama, desde ultrasonidos compactos de laboratorio hasta sistemas industriales para aplicaciones de emulsificación. Esto nos permite en Hielscher ofrecerle el ultrasonicador más adecuado para su calidad de emulsión prevista y capacidad de proceso. Nuestro experimentado personal le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.
El reducido tamaño de nuestros extractores por ultrasonidos, así como su versatilidad en cuanto a opciones de instalación, hacen que encajen incluso en instalaciones de procesamiento con poco espacio. Los procesadores por ultrasonidos se instalan en todo el mundo en plantas de producción de alimentos, productos farmacéuticos y suplementos nutricionales.

Este vídeo muestra cómo el procesador ultrasónico UP400S de Hielscher prepara una emulsión nanométrica de aceite vegetal en agua.

Emulsionado de aceite vegetal en agua con el UP400S

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Hielscher Ultrasonics – Sistemas de emulsificación sofisticados

La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama de emulsificadores ultrasónicos de alto rendimiento, desde pequeña a gran escala. Los accesorios adicionales permiten montar fácilmente la configuración de dispositivo ultrasónico más adecuada para su proceso de emulsificación. La configuración ultrasónica óptima depende de la capacidad prevista, el volumen, las materias primas, el proceso por lotes o en línea y los plazos.

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Por lotes y en línea

Los emulsionadores ultrasónicos de Hielscher se pueden utilizar para el procesamiento por lotes y continuo de flujo continuo. El procesamiento ultrasónico por lotes es ideal para pruebas de procesos, optimización y niveles de producción pequeños y medianos. Para producir grandes volúmenes de emulsiones, el procesamiento en línea puede ser más ventajoso. Un proceso de mezcla en línea continuo requiere una configuración sofisticada – que consiste en una bomba, mangueras o tuberías y tanques -, pero es altamente eficiente, rápido y requiere significativamente menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics tiene la configuración de emulsificación más adecuada para su volumen de emulsión y sus objetivos de proceso.

Sondas ultrasónicas y reactores para emulsificación de cualquier tamaño

Célula de flujo UIP4000hdT para sonicación en línea a escala industrialLa gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde los ultrasonicadores compactos de laboratorio, pasando por los sistemas de sobremesa y piloto, hasta los procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el emulsionador ultrasónico más adecuado para su capacidad de proceso y sus objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de las capacidades de procesamiento desde lotes más pequeños hasta la producción totalmente comercial. La ampliación puede realizarse instalando una unidad de extracción por ultrasonidos más potente o agrupando varios ultrasonidos en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece el emulsionador ultrasónico más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de la emulsificación por ultrasonidos. Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.La amplitud es un factor crucial, que influye decisivamente en la calidad de la emulsificación por ultrasonidos. Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y los booster horns son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de tratar su emulsión con las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para obtener los mejores resultados de emulsificación.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que satisface sus requisitos de emulsificación.

Pruebas fáciles y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que todos los resultados obtenidos con un ultrasonido de laboratorio o de sobremesa pueden escalarse hasta obtener exactamente el mismo resultado con los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonicación sea ideal para pruebas de viabilidad sin riesgos, optimización de procesos y posterior implementación en la fabricación comercial. Póngase en contacto con nosotros para saber cómo la sonicación puede mejorar su producción de emulsiones.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los ultrasonicadores se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
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
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

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

Información interesante

¿Cuál es la diferencia entre las emulsiones de aceite en agua y de agua en aceite?

La principal diferencia entre una emulsión de aceite en agua y agua en aceite es la composición de la suspensión. Las emulsiones pueden ser de aceite en agua o de agua en aceite. Técnicamente, cuando se generan emulsiones de aceite en agua frente a agua en aceite, una fase (conocida como fase dispersa) se mezcla con la otra (la fase continua). En otras palabras, un líquido sirve como una especie de base a la que se añade otro líquido. Cuando una emulsión es "aceite en agua", el aceite es la fase dispersa que se distribuye en la fase continua, el agua. En una emulsión de agua en aceite, los papeles se intercambian. La leche es un ejemplo de emulsión de aceite en agua, mientras que la mantequilla es de agua en aceite.

La elección de los agentes emulsionantes es un factor importante que influye en la calidad y la estabilidad de las emulsiones de aceite en agua y de agua en aceite. Aunque algunas emulsiones nanométricas pueden ser estables de forma natural, la mayoría no lo son a largo plazo. Por lo tanto, la formulación debe diseñarse cuidadosamente para crear dispersiones con una vida útil mejorada. No todos los agentes emulsionantes son compatibles con cualquier tipo de emulsión. Un agente emulsionante con buena solubilidad en agua puede facilitar mejor una emulsión de aceite en agua que de agua en aceite, mientras que un emulsionante con buena solubilidad en aceite puede funcionar mejor para emulsiones de agua en aceite.

Más información sobre la técnica de emulsificación ultrasónica para la preparación de emulsiones Pickering.

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