Emulgeerimine ultraheli kavitatsiooni abil
Lai valik vahe- ja tarbekaupu – näiteks kosmeetika, nahalosjoonid, farmatseutilised salvid, lakid, värvid, määrdeained ja kütused – põhineb täielikult või osaliselt emulsioonidel.
Hielscher toodab maailma suurimaid tööstuslikke ultraheli vedelikuprotsessoreid suure mahuga vooluste tõhusaks emulgeerimiseks tootmisettevõtetes.
Kuidas ultraheli emulgeerimine toimib
Laborirakendused: Laboritingimustes on ultraheli emulgeerimisvõimet tuntud ja kasutatud juba pikka aega, tänu ultraheli homogeniseerimise ja emulgeerimisega seotud mitmele eelisele.
Tehnoloogia
Töökindel ultraheli emulgeerimine põhineb ultraheli sondide, mida nimetatakse ka sonotroodideks, kasutamisel. Protsess toimib järgmiselt:
- Ultraheli sidestamine: Ultraheli sondi kaudu sidestatakse suure intensiivsusega ultraheli vedelikesse, tekitades akustilise kavitatsiooni.
- Kavitatsiooniefekt: Ultraheli- ehk akustiline kavitatsioon tekitab suuri nihkejõude, mis annavad vajaliku energia suurte tilkade lõhkumiseks kuni nanosuuruses tilkadeni.
- Emulsiooni teke: Kaks või enam vedelfaasi segatakse ühtlaseks submikron- või nanoemulsiooniks.
Tööstuslik mastaapimine läbivoolutehnoloogia abil: Ultraheli läbivoolukambrite kasutamine võimaldab nanoemulsioonide lineaarset mastaapimist tööstuslikuks tootmiseks, töödeldes suure mahuga vooluseid pidevas läbivoolus.
Selge nanoemulsiooni ultraheli abil valmistamine UP400ST sonikaatoriga.
Ultraheli emulgeerimise eelised
Sondtüüpi sonikaatoriga ultraheli emulgeerimisel on mitu eelist teiste emulgeerimistehnikatega võrreldes:
- Parem emulsiooni stabiilsus: Ultraheli emulgeerimine tekitab väiksemaid tilgasuurusi ja ühtlasema tilkade jaotuse, mille tulemuseks on parem emulsiooni stabiilsus ja pikem säilivusaeg. Võimsa ultraheli abil saab töökindlalt toota submikron- ja nanosuuruses tilkasid.
- Energiatõhusus: Ultraheli emulgeerimine nõuab vähem energiat kui muud emulgeerimismeetodid, muutes selle energiatõhusamaks protsessiks.
- Skaleeritavus: Ultraheli emulgeerimist saab vastavalt vajalikule mahule hõlpsasti suurendada või vähendada, mistõttu on see mitmekülgne protsess nii laboratoorsete kui ka tööstuslike rakenduste jaoks.
- Ajasäästlikkus: Ultraheli emulgeerimine võib olla väga kiire protsess, kus emulsioonid tekivad sekunditest minutiteni, olenevalt vedelikest, mahust ja seadmetest.
- Väiksem pindaktiivsete ainete vajadus: Ultraheli emulgeerimine võib vähendada pindaktiivsete ainete vajadust, mida emulsioonide stabiliseerimiseks sageli nõutakse. Tilgasuuruse vähenemisel aga osakese pindala suureneb ja pindaktiivne aine peab katma suurema ala. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) sobib peaaegu igat liiki pindaktiivsete ainetega, sealhulgas alternatiivsete ja uudsete emulgaatoritega.
- Minimaalne ja juhitav soojuse teke: Ultraheli emulgeerimine on mittetermiline protsess ning soojuse teket töötlemise ajal saab vältida või vähendada väikesel määral. Seeläbi väheneb tundlike ühendite või koostisosade termilise lagunemise risk.
Sondtüüpi sonikaatoriga ultraheli emulgeerimise eelised teevad sellest suurepärase valiku emulgeerimiseks mitmesugustes valdkondades, sealhulgas toidu- ja joogitööstuses, farmaatsias, kosmeetikas, peenkemikaalides ja kütustes.
Loe lähemalt ultraheli majoneesi emulgeerimise kohta!
Loe lähemalt parafiinvahaemulsioonide tootmise kohta sonikeerimise abil!
Loe lähemalt ultraheli abil toodetud vesi-diislikütuses emulsioonide kohta!
DLS-mõõtmine näitab ultraheli abil toodetud roosiõli-vees emulsiooni ühtlast tilgasuuruse jaotust.
Mis on emulsioon?Emulsioonid on kahe või enama segunematu vedeliku dispersioonid. Suure intensiivsusega ultraheli annab vajaliku võimsuse, et dispergeerida üks vedelfaas (dispergeeritud faas) väikeste tilkadena teises faasis (pidev faas). Dispergeerimisvööndis tekitavad kokkuvarisevad kavitatsioonimullid ümbritsevas vedelikus intensiivseid lööklaineid ja põhjustavad suure vedelikukiirusega vedelikujugade teket.
Nanoemulsioonid – võimas rakendusvaldkond sonikaatoritele
Nanoemulsioonid on emulsioonid, mille tilkade suurus on tavaliselt alla 100 nanomeetri. Nanoemulsioonidel on tavaliste emulsioonidega võrreldes mitmeid eeliseid, sealhulgas ainulaadsed funktsionaalsed omadused, suurem stabiilsus, läbipaistvus jne.
Ultraheli töötlus edestab traditsioonilisi emulgeerimistehnoloogiaid eriti nanoemulsioonide moodustamisel. See tuleneb ultraheli väga tõhusast ja energiamahukast tööpõhimõttest.
Allolev video näitab õli (kollane) emulgeerimist vette (punane) laboriultraheli sonikaatoriga UP400S.
Ultraheli emulgeerimise tööpõhimõte
Akustiline kavitatsioon: ultraheli emulgeerimise ja nanoemulgeerimise liikumapanev jõud
Ultraheli emulgeerimine tugineb akustilise kavitatsiooni võimsatele toimetele – nähtusele, mis tekib siis, kui suure intensiivsusega ultrahelilained läbivad vedelikku. Selle protsessi käigus tekivad mikroskoopilised mullid, mis kasvavad ja seejärel varisevad vägivaldselt kokku. Nende mullide implosiivne kokkuvarisemine tekitab äärmuslikud lokaalsed tingimused, sealhulgas tugevad rõhu- ja temperatuurigradiendid, suured nihkejõud, lööklained ja vedeliku mikrojoad. Need jõud lagundavad tõhusalt suured osakesed, tilgad ja aglomeraadid palju väiksemateks struktuurideks.
Vasakpoolsel pildil on näidatud akustilist kavitatsiooni, mille tekitab ultraheliprotsessor UIP1000hdT (1000 W) vedelikuga täidetud klaassilindris töötades.
Kuidas akustiline kavitatsioon emulgeerimist parandab
Nii emulgeerimisel kui ka nanoemulgeerimisel on kavitatsiooni intensiivsus tilgasuuruse määramisel võtmetegur. Kavitatsioonimullide kokkuvarisemisel killustavad tekkivad nihkejõud suuremad tilgad üha väiksemateks. Samal ajal soodustavad lokaalsed rõhu- ja temperatuurimuutused uute tilkade teket ning aitavad emulsiooni stabiliseerida.
See tilkade lõhkumise ja stabiliseerimise kombinatsioon võimaldab ultraheli tehnoloogial toota väga ühtlaseid emulsioone erakordselt peene tilgasuuruse jaotusega.
Vesi-oliiviõli emulsioonide tilgasuuruse jaotus, mis on valmistatud (a) klassikalise homogeniseerimismeetodiga ja (b) ultraheli homogeniseerimismeetodiga (kasutades UP400S), kasutades MD-d, WPI-d ja nende segu, kuivaine sisaldusega 40% ja õlisisaldusega 9% (w/w). Ultraheli emulgeerimine annab oluliselt väiksemad tilgad, vähem kreemistumist ja parema üldise emulsiooni stabiilsuse.
(uuring ja graafikud: Zungur et al., 2015)
Ultraheli sondid tõhusaks emulgeerimiseks
Hielscher pakub laia valikut sondtüüpi sonikaatoreid ja tarvikuid vedelike tõhusaks emulgeerimiseks ja dispergeerimiseks partiirežiimis ja läbivoolurežiimis.
Süsteemid, mis koosnevad mitmest ultraheliprotsessorist võimsusega kuni 16 000 vatti igaüks, tagavad vajaliku jõudluse, et viia see laborirakendus üle tõhusasse tootmismeetodisse peendispersete emulsioonide saamiseks pidevas voolus või partiina – saavutades tulemusi, mis on võrreldavad tänapäeva parimate saadaolevate kõrgsurvehomogenisaatoritega, näiteks uue düüsventiiliga. Lisaks sellele suurele tõhususele pideval emulgeerimisel vajavad Hielscheri ultraheliseadmed väga vähe hooldust ning neid on väga lihtne kasutada ja puhastada. Ultraheli tegelikult toetab puhastamist ja loputamist. Ultraheli võimsus on reguleeritav ning seda saab kohandada konkreetsetele toodetele ja emulgeerimisnõuetele. Saadaval on ka spetsiaalsed läbivoolukambriga reaktorid, mis vastavad kõrgetele CIP- (clean-in-place) ja SIP- (sterilize-in-place) nõuetele.
MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik inline-homogeniseerimisreaktor, mis sobib (nano)emulgeerimisprotsessideks suurte läbilaskevõimsustega.
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0,5 kuni 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150 L | 3 kuni 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator on võimas lisaseade, mis sobib Hielscheri ultraheli läbivoolukambriga reaktoritele: kasutades sisetükki MPC48, süstitakse dispergeeritav faas 48 kanüüli kaudu õhukeste vedelikujugadena ultraheli kuumtsooni, kus dispergeeritav faas ja pidevfaas segatakse pisikeste tilkadena nanoemulsiooniks.
Avastage, kuidas MultiPhaseCavitator parandab emulgeerimist!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboratoorses, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / viited
- 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
Teadmist väärt faktid
Mõiste „emulsioon“ määratlus
Emulsioon on kahe või enama segunematu vedeliku segu, näiteks õli ja vee segu.
Emulsioonid võivad olla kas õli-vees (kus õlitilgad on vees dispergeeritud) või vesi-õlis (kus veetilgad on õlis dispergeeritud). Emulsioone kasutatakse mitmesugustes rakendustes, sealhulgas toiduainetes (näiteks salatikastmed ja majonees), kosmeetikas (näiteks losjoonid ja kreemid) ning farmaatsiatoodetes (näiteks vaktsiinid).
Emulgaator toimib, vähendades emulsioonis kahe segunematu aine (näiteks õli ja vee) vahelist pindpinevust. See vähendab nende kahe aine kalduvust lahutuda ja võimaldab neil moodustada stabiilse segu.
Kuidas emulsiooni stabiilseks muuta?
Emulsioon muudetakse stabiilseks, takistades dispergeeritud faasil (ühe vedeliku tilgad) koalestseerumast ja pidevfaasist (ümbritsevast vedelikust) eralduda. Emulsioonide stabiilsuse saavutamiseks tuleb arvestada mitme põhipunktiga:
- Emulgaatorid (pindaktiivsed ained):
– Roll: Emulgaatorid on molekulid, millel on nii hüdrofiilne (vett tõmbav) kui ka hüdrofoobne (vett tõrjuv) ots.
– Toime: Need vähendavad kahe segunematu vedeliku vahelist pindpinevust ja moodustavad tilkade ümber kaitsekihi, mis takistab nende koalestseerumist.
– Näited: Letsitiin, polüsorbaadid ja naatriumstearoüül-laktülaat. - Mehaanilised meetodid:
Suure jõudlusega segamine: Suure nihkejõuga segistite või homogenisaatorite kasutamine tilkade purustamiseks väiksemaks, mis suurendab pindala ja parandab stabiilsust. Sondtüüpi sonikaatorid on suurepärane ja väga töökindel meetod, mis kasutab sonomehaanilisi nihkejõude. Need ultraheli nihkejõud purustavad suured tilgad pisikesteks tilkadeks ja segavad segunematud faasid stabiilseks emulsiooniks. - Viskoossuse modifikaatorid:
Paksendajad: Pidevfaasi viskoossuse suurendamine võib aeglustada tilkade liikumist ja vähendada koalestseerumise tõenäosust.
– Näited: Ksantaankummi, guarkummi ja karboksümetüültselluloos. - Stabiliseerivad ained:
– Polümeerid: Polümeerid võivad tagada steerilise stabiliseerimise, moodustades tilkade ümber paksu kihi.
– Näited: Pektiin, želatiin ja teatud valgud. - Elektrostaatiline stabiliseerimine:
– Laeng: Mõned emulgaatorid annavad tilkade pinnale elektrilaengu, mistõttu tilgad tõukuvad üksteisest eemale ja koalestseerumine väheneb.
– Näited: Naatriumkaseinaat ja sojaletsitiin. - Temperatuuri reguleerimine:
– Jahutamine: Temperatuuri alandamine võib suurendada pidevfaasi viskoossust ja vähendada tilkade kineetilist energiat, takistades koalestseerumist.
– Faaside lahutumise vältimine: Tagatakse, et temperatuur püsib vahemikus, mis takistab komponentide lahutumist. - Lisandid:
– Antioksüdandid: Oksüdeerumise ärahoidmine aitab säilitada emulgaatori ja teiste komponentide terviklikkust.
– Kelaativad ained: Seovad metalliioone, mis võiksid muidu emulsiooni destabiliseerida.
Õiget emulgeerimistehnikat rakendades saab emulsioone muuta stabiilseks, tagades, et segu püsib homogeenne ja säilitab soovitud omadused aja jooksul.
Emulsioone stabiliseerivad emulgaatorid
Üldiselt vajavad emulsioonid stabiliseerimist emulgaatori või pindaktiivse aine abil. Emulgaatorid on amfifiilsed – nad tõmbavad ligi nii vett kui ka rasvaseid aineid. See tähendab, et neil on nii hüdrofiilsed (vett armastavad) kui ka hüdrofoobsed (õli armastavad) omadused, mis võimaldab neil suhelda emulsiooni nii õli- kui ka veefaasiga. Emulgaatori molekuli hüdrofiilne osa kinnitub veemolekulidele, hüdrofoobne osa aga õlimolekulidele.
Kui emulgaatori molekulid ümbritsevad õlitilku, moodustab emulgaator tilkade ümber kaitsekihi, mis takistab nende omavahelist kokkupuudet ning koalestseerumist (ühinemist) suuremateks tilkadeks. See aitab hoida emulsiooni stabiilsena ja hoiab ära lahutumise.
Kuna tilkade koalestseerumine pärast lõhkumist mõjutab lõplikku tilgasuuruse jaotust, kasutatakse tõhusalt stabiliseerivaid emulgaatoreid, et hoida lõplik tilgasuuruse jaotus samal tasemel nagu vahetult pärast tilkade lõhkumist ultraheli dispergeerimistsoonis. Stabilisaatorid viivad tegelikult konstantse energiatiheduse juures tilkade parema lõhkumiseni.
Tavaliselt kasutatavate emulgaatorite näited on letsitiin (mida leidub munakollastes ja sojaubades), mono- ja diglütseriidid, polüsorbaat 80 ja naatriumstearoüül-laktülaat.
Miniemulsioonid, mida saab tõhusalt valmistada ultraheli töötlusega, soodustavad keemilisi reaktsioone. Makroemulsioonpolümerisatsioon (a) versus miniemulsioonpolümerisatsioon (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku suuruseni.