Suur valik- ja tarbekaupu, nagu kosmeetika ja nahakreemid, farmatseutilised salvid, lakid, värvid ja määrdeained ning kütused, põhinevad täielikult või osaliselt emulsioonidel. Hielscher toodab maailma suurimaid tööstuslikke ultraheli vedeliku töötlejaid suurte koguste voogude tõhusaks emulgeerimiseks tootmisettevõtetes.

Ultraheli emulgeerimine

Laboris on ultraheli emulgeerimisvõime tuntud ja rakendatud pikka aega tänu erinevatele eelistele, mis on seotud ultraheli homogeniseerimise ja emulgeerimisega. Usaldusväärne ultraheli emulgeerimine põhineb ultraheli sondide, nn sonotroodide kasutamisel. Ultraheli sondi kaudu ühendatakse kõrge intensiivsusega ultraheli vedelikeks ja luuakse akustiline kavitatsioon. Ultraheli või akustiline kavitatsioon tekitab suuri nihkejõude, mis annavad vajaliku energia suurte tilkade häirimiseks kuni nano-suurusega tilkadeni. Seega segatakse kaks või enam vedelat faasi ühtlaseks submikroni- või nanoemulsiooniks.

Ultraheli emulgeerimise eelised

Ultraheli emulgeerimine sondi tüüpi ultrasonikaatori abil pakub mitmeid eeliseid teiste emulgeerivate tehnikate ees:

1. Parem emulsiooni stabiilsus: Ultraheli emulgeerimine loob väiksemad tilkade suurused ja ühtlasema tilkade jaotuse, mille tulemuseks on parem emulsiooni stabiilsus ja pikem säilivusaeg. Submikroni- ja nanosuuruses tilkasid saab usaldusväärselt toota võimsuse ultraheli abil.
2. Energiatõhususe: Ultraheli emulgeerimine nõuab vähem energiat kui teised emulgeerimismeetodid, muutes selle energiatõhusamaks protsessiks.
3. Skaleeritavus: Ultraheli emulgeerimist saab hõlpsasti üles või alla skaleerida sõltuvalt vajalikust mahust, muutes selle mitmekülgseks protsessiks nii laboratoorsete kui ka tööstuslike rakenduste jaoks.
4. Aja kokkuhoid: Ultraheli emulgeerimine võib olla väga kiire protsess, emulsioonid moodustuvad sekundite kuni minutite jooksul, sõltuvalt vedelikest, mahust ja seadmetest.
5. Vähendatud vajadus pindaktiivsete ainete järele: Ultraheli emulgeerimine võib vähendada vajadust pindaktiivsete ainete järele, mis on sageli vajalikud emulsioonide stabiliseerimiseks. Kuid vähendatud tilga suurusega suureneb osakese pindala ja pindaktiivne aine peab katma rohkem pinda. Ultraheli ühildub peaaegu igasuguse pindaktiivse ainega, sealhulgas alternatiivsete ja uudsete emulgaatoritega.
6. Minimaalne ja kontrollitav soojuse tootmine: Ultraheli emulgeerimine on mittetermiline protsess ja soojuse tootmist töötlemise ajal saab vältida või vähendada vähesel määral. Seega väheneb tundlike ühendite või koostisosade termilise lagunemise oht.

Üldiselt muudavad ultraheli emulgeerimise eelised sondi tüüpi ultrasonikaatori abil populaarseks valikuks emulgeerimiseks erinevates valdkondades, sealhulgas toit ja jook, farmaatsiatooted, kosmeetika, peenkemikaalid ja kütused.

Õli-vees (O/ W) emulsiooni ultraheli ettevalmistamine (punane vesi / kollane õli). Paar sekundit ultrahelitöötlust muudavad eraldi vee/õli faasid peeneks emulsiooniks.

 
 
Allolev video näitab õli (kollase) emulgeerimisprotsessi vette (punane), kasutades UP400S labori ultrasonikaatorit.

Mis on emulsioon?
Emulsioonid on kahe või enama segunemisega vedeliku dispersioonid. Väga intensiivne ultraheli varustab vett, mis on vajalik vedela faasi (hajutatud faasi) hajutamiseks väikeste tilkade jaoks teises faasis (pidev faas). Dispergeeruvas tsoonis tekitavad kavitatsioonimullid implanteerivad ümbritsevas vedelikus intensiivseid šokinlaineid ja põhjustavad suure vedeliku kiiruse vedelate joa kujunemist.

Nanoemulsioonid – Võimsuse rakendus ultrasonikaatoritele

Nanoemulsioonid on emulsioonid, mille tilgad on tavaliselt väiksemad kui 100 nanomeetrit. Nanoemulsioonid pakuvad tavapäraste emulsioonide ees mitmeid eeliseid, sealhulgas ainulaadseid funktsionaalseid omadusi, suuremat stabiilsust, läbipaistvust jne.
Ultraheli ületab traditsioonilisi emulgeerimistehnoloogiaid, eriti kui tegemist on nanoemulsioonide moodustumisega. Selle põhjuseks on ultraheli väga tõhus ja energiamahukas tööpõhimõte.

Ultraheli emulgeerimise tööpõhimõte

Ultraheli emulgeerimisprotsessid kasutavad akustilise kavitatsiooni jõude. Akustiline kavitatsioon viitab väikeste mullide moodustumise, kasvu ja implosiivse kokkuvarisemise nähtusele vedelas keskkonnas, mis on allutatud suure intensiivsusega ultraheli lainetele. Nende mullide implosioon tekitab intensiivseid kohalikke rõhu- ja temperatuurigradiente, mis võivad tekitada suure nihkejõu, lööklaineid ja mikrojoad, mis võivad lagundada suuri osakesi ja aglomeraate väiksemateks. Vasakpoolne pilt näitab ultraheli kavitatsiooni, mis on tekkinud ultrasonikaatori UIP1000hdT (1000 vatti) sondi juures vedelikuga täidetud klaaskolonnis.
Emulgeerimisel ja nano-emulgeerimisel mängib akustilise kavitatsiooni intensiivsus kriitilist rolli emulsiooni tilkade suuruse vähendamisel. Kavitatsioonimullide implosiivne kokkuvarisemine võib tekitada tugevaid nihkejõude, mis lagundavad suuremad tilgad väiksemateks. Lisaks võivad kavitatsiooni tekitatud kohalikud rõhu- ja temperatuurigradiendid soodustada ka uute tilkade moodustumist ja stabiliseerida emulsiooni.
Akustilise kavitatsiooni ainulaadne aspekt on selle võime pakkuda vedelale keskkonnale lokaliseeritud ja intensiivset energiasisendit, ilma et oleks vaja suuri mehaanilisi või termilisi pingeid. See muudab selle atraktiivseks nano-emulgeerimise tehnikaks, kuna see võib vähendada emulgeerimisprotsessi jaoks vajalikku energiasisendit, saavutades samal ajal väiksema tilga suuruse ja kitsama tilgasuuruse jaotuse.
Tänu nendele täpselt kontrollitavatele ultraheli jõududele on akustiline kavitatsioon võimas vahend nano-emulgeerimiseks. Selle võime genereerida lokaliseeritud ja intensiivset energiasisendit võimaldab lagundada suuremaid tilkasid, mis moodustavad submikroni- ja nanosuuruses tilgad väga suure efektiivsusega.

Uuringud õli vees (vee faasis) ja õlis (õlifaasi) emulsioonides on näidanud korrelatsiooni energia tiheduse ja tilga suuruse vahel (nt Sauteri läbimõõt). Suurenenud energiatiheduse juures on selge tendents väiksemate tilkade korral (klõpsake paremal graafil). Sobival energiatiheduse tasemel võib ultraheliga hõlpsasti ja usaldusväärselt saavutada keskmised tilkade suurused nano-vahemikus.

Ultraheli sondid tõhusaks emulgeerimiseks

Hielscher pakub laia valikut sondi tüüpi ultrasonikaatoreid ja tarvikuid vedelike tõhusaks emulgeerimiseks ja hajutamiseks partii- ja läbivoolurežiimis.
Süsteemid, mis koosnevad mitmest ultraheli protsessorist, igaüks kuni 16 000 vatti, pakuvad võimsust, mis on vajalik selle laborirakenduse tõlkimiseks tõhusaks tootmismeetodiks, et saada peeneks dispergeeritud emulsioone pidevas voolus või partiis – saavutades tulemused, mis on võrreldavad tänapäevaste parimate kõrgsurve homogenisaatorite, näiteks uue sulaventiiliga, saavutamisega. Hielscheri ultraheli seadmetes lisaks sellele suurele efektiivsusele pidevas emulgeerimises on vaja väga madalat hooldust ja neid on väga lihtne kasutada ja puhastada. Ultraheli kasutamine toetab puhastamist ja loputamist. Ultraheli võimsus on reguleeritav ja seda saab kohandada konkreetsete toodete ja emulgeerimisnõuetega. Saadaval on ka spetsiaalsed voolu raku reaktorid, mis vastavad arenenud CIP-idele (puhas kohapeal) ja SIP (steriliseeritavad kohapeal) nõuded.