Emulgeerimine ultraheli kavitatsiooniga
Laia valikuga vahe- ja tarbekaupu – nagu kosmeetikatooted, nahahooldusvedelikud, ravimsalvid, lakid, värvid, määrdeained ja kütused – põhinevad täielikult või osaliselt emulsioonidel.
Hielscher toodab maailma suurimaid tööstuslikke vedeliku ultraheliprotsessoreid, mis on mõeldud suurte vedelikukoguste tõhusaks emulgeerimiseks tootmisettevõtetes.
Kuidas toimib ultrahelil põhinev emulgeerimine
Laboratoorsed rakendused: Laboritingimustes on ultraheli emulgeerimisvõimet tuntud ja kasutatud juba pikka aega, kuna ultraheli abil toimuv homogeniseerimine ja emulgeerimine pakuvad mitmeid eeliseid.
Tehnoloogia
Usaldusväärne ultrahelil põhinev emulgeerimine tugineb ultraheliandurite, mida nimetatakse ka sonotroodideks, kasutamisele. Protsess toimib järgmiselt:
- Ultraheli ühendus: Ultrahelianduri kaudu suunatakse vedelikku suure intensiivsusega ultraheli, mis tekitab akustilist kavitatsiooni.
- Kaviteerimise efekt: Ultraheli- või akustiline kavitatsioon tekitab suuri lõikamisjõude, mis annavad vajaliku energia suurte tilkade purustamiseks nanomõõtmeteni.
- Emulsiooni tekkimine: Kaks või enam vedelat faasi segatakse ühtlaseks submikron- või nanoemulsiooniks.
Tööstuslik tootmise laiendamine läbivoolutehnoloogia abil: Ultraheli-vooelementide kasutamine võimaldab nanoemulsioonide tootmist lineaarselt suurendada tööstuslikule tasemele, töödeldes suuri vooluhulki pidevas läbivoolusüsteemis.
Läbipaistva nanoemulsiooni valmistamine ultraheliga, kasutades ultrahelikat UP400ST.
Ultrahelilise emulgeerimise eelised
Ultraheli emulgeerimine sondi tüüpi ultrasonikaatori abil pakub mitmeid eeliseid teiste emulgeerivate tehnikatega võrreldes:
- 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 tilka saab usaldusväärselt toota võimsuse ultraheli abil.
- Energiatõhususe: Ultraheli emulgeerimine nõuab vähem energiat kui teised emulgeerimismeetodid, muutes selle energiatõhusamaks protsessiks.
- Mastaapsus: Ultraheli emulgeerimist saab kergesti suurendada või vähendada sõltuvalt vajalikust mahust, muutes selle mitmekülgseks protsessiks nii laboratoorsete kui ka tööstuslike rakenduste jaoks.
- Aja kokkuhoid: Ultraheli emulgeerimine võib olla väga kiire protsess, kus emulsioonid moodustuvad sekundites kuni minutites, sõltuvalt vedelikest, mahust ja seadmetest.
- Vähendatud vajadus pindaktiivsete ainete järele: Ultraheli emulgeerimine võib vähendada vajadust pindaktiivsete ainete järele, mis on sageli vajalikud emulsioonide stabiliseerimiseks. Kuid vähendatud tilkade suuruse korral suureneb osakese pindala ja pindaktiivse ainega tuleb katta rohkem pinda. Ultraheli sobib peaaegu igasuguse pindaktiivse ainega, sealhulgas alternatiivsete ja uudsete emulgaatoritega.
- Minimaalne ja reguleeritav soojuse tootmine: Ultraheli emulgeerimine on mittetermiline protsess ja soojuse teket töötlemise ajal saab vältida või vähendada vähesel määral. Seeläbi väheneb tundlike ühendite või koostisosade termilise lagunemise oht.
Ultraheli emulgeerimise eelised, kasutades sondi tüüpi ultrasonikaatorit, muudavad selle suurepäraseks valikuks emulgeerimiseks erinevates valdkondades, sealhulgas toit ja jook, farmaatsiatooted, kosmeetika, peened kemikaalid ja kütused.
Loe lähemalt ultraheli majoneesi emulgeerimise kohta!
Loe lähemalt parafiinvaha emulsioonide tootmise kohta ultrahelitöötluse abil!
Loe lähemalt ultraheli abil toodetud vesi-diislikütuse emulsioonide kohta!
DLS-mõõtmine näitab ultraheliga valmistatud roosiõli-vees-emulsiooni ühtlast tilkade suuruse jaotust.
Mis on emulsioon?Emulsioonid on kahe või enama segunematu vedeliku dispersioonid. Väga intensiivne ultraheli varustab võimsust, mis on vajalik vedela faasi (hajutatud faasi) hajutamiseks väikestes tilkades teises faasis (pidev faas). Dispergeerivas tsoonis põhjustavad implodeerivad kavitatsioonimullid ümbritsevas vedelikus intensiivseid lööklaineid ja põhjustavad suure vedeliku kiirusega vedelikujoade moodustumist.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
nanoemulsioonid – Sonicatorite võimsusrakendus
Nanoemulsioonid on emulsioonid, mille tilgad on tavaliselt väiksemad kui 100 nanomeetrit. Nanoemulsioonid pakuvad tavapäraste emulsioonidega võrreldes mitmeid eeliseid, sealhulgas ainulaadseid funktsionaalseid omadusi, suuremat stabiilsust, läbipaistvust jne.
Ultraheli ületab traditsioonilised emulgeerimistehnoloogiad, eriti kui tegemist on nanoemulsioonide moodustumisega. Selle põhjuseks on ultraheli väga tõhus ja energiamahukas tööpõhimõte.
Allolev video näitab õli (kollane) emulgeerimisprotsessi vette (punane), kasutades UP400S labori ultrasonikaatorit.
Ultraheli emulgeerimise tööpõhimõte
Akustiline kavitatsioon: ultraheliemulgeerimise ja nanoemulgeerimise liikumapanev jõud
Ultrahelil põhinev emulgeerimine tugineb akustilise kavitatsiooni võimsale mõjule – nähtusele, mis tekib, kui suure intensiivsusega ultrahelilained läbivad vedeliku. Selle protsessi käigus tekivad mikroskoopilised mullid, mis kasvavad ja seejärel plahvatavad ägedalt. Nende mullide implosiooniline kokkuvarisemine tekitab äärmuslikke lokaalseid tingimusi, sealhulgas intensiivseid rõhu- ja temperatuuri gradiente, suuri nihkejõude, lööklaineid ja vedeliku mikrojugusid. Need jõud lagundavad suuremad osakesed, tilgad ja aglomeeraadid tõhusalt palju väiksemateks struktuurideks.
Vasakul olev pilt kujutab akustilist kavitatsiooni, mida tekitab vedelikuga täidetud klaaskolonnis töötav ultraheli-töötleja UIP1000hdT (1000 W).
Kuidas akustiline kavitatsioon parandab emulgeerimist
Nii emulgeerimisel kui ka nanoemulgeerimisel on kavitatsiooni intensiivsus tilkade suuruse määramisel otsustav tegur. Kavitatsioonimullide kokkuvarisemisel lõhustavad tekkivad nihkejõud suuremad tilgad üha väiksemateks. Samal ajal soodustavad kohalikud rõhu- ja temperatuurimuutused uute tilkade teket, aidates samal ajal emulsiiooni stabiliseerida.
Tänu sellele, et piiskade purustamine ja stabiliseerimine toimuvad üheaegselt, võimaldab ultrahelitehnoloogia valmistada väga ühtlaseid emulsioone, millel on erakordselt peen piiskade suurusjaotus.
(a) klassikalise homogeniseerimismeetodi ja (b) ultrahelihomogeniseerimise (seadme UP400S abil) abil valmistatud vee-oliiviõli emulsioonide tilkade suurusjaotus, milles kasutati MD-d, WPI-d ja nende segu, mille kuivainesisaldus oli 40% ja õlisisaldus 9% (massiprotsentides). Ultraheliemulgeerimine tagab oluliselt väiksemad tilgad, vähem koorimist ja parema emulsiooni üldise stabiilsuse.
(uuring ja graafikud: Zungur et al., 2015)
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, millest igaüks on kuni 16 000 vatti, pakuvad võimsust, mis on vajalik selle laborirakenduse tõlkimiseks tõhusaks tootmismeetodiks, et saada peenelt dispergeeritud emulsioone pidevas voolus või partiis – saavutada tulemusi, mis on võrreldavad tänapäevaste parimate saadaolevate kõrgsurve homogenisaatorite, näiteks uue avaga ventiiliga. Lisaks sellele suurele efektiivsusele pidevas emulgeerimisel vajavad Hielscheri ultraheli seadmed väga madalat hooldust ja neid on väga lihtne kasutada ja puhastada. Ultraheli toetab tegelikult puhastamist ja loputamist. Ultraheli võimsus on reguleeritav ja seda saab kohandada konkreetsete toodete ja emulgeerimisnõuetega. Saadaval on ka spetsiaalsed voolurakureaktorid, mis vastavad täiustatud CIP (clean-in-place) ja SIP (steriliseerimine kohapeal) nõuetele.
MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik inline homogeniseerimisreaktor, mis sobib suure läbilaskevõimega (nano)emulgeerimisprotsesside jaoks.
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0.5 kuni 1,5 ml | mujal liigitamata | VialTweeter | 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Mitmefaasiline kavitatsiooniseade (MPC48)
MultiPhaseCavitator on võimas lisaseade, mis on ühilduv Hielscheri ultraheli-voolukambriga reaktoritega: MPC48-sisendi abil süstitakse dispersioonifaas 48 kanyüüli kaudu õhukeste vedelikukihtidena ultraheli-kuumtsooni, kus dispersioonifaas ja pidevfaas segunevad pisikeste tilkadena nanoemulsiooniks.
Avastage, kuidas MultiPhaseCavitator parandab emulgeerimist!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- 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
Faktid, mida tasub teada
Mõiste määratlus “Emulsioon”
Emulsioon on kahe või enama segunematu vedeliku, näiteks õli ja vee segu.
Emulsioonid võivad olla kas õli-vees (kus õlitilgad on vees hajutatud) või vesi-õlis (kus veepiisad on õlis dispergeeritud). Emulsioone kasutatakse mitmesugustes rakendustes, sealhulgas toiduainetes (nagu salatikastmed ja majonees), kosmeetikas (näiteks vedelikud ja kreemid) ja ravimites (näiteks vaktsiinid).
Emulgaator töötab, vähendades kahe segunematu aine (nagu õli ja vesi) pindpinevust emulsioonis. See vähendab kahe aine kalduvust eralduda ja võimaldab neil moodustada stabiilse segu.
Kuidas emulsioon stabiilseks muudetakse?
Emulsioon muudetakse stabiilseks, takistades dispergeeritud faasi (ühe vedeliku tilgad) koalestseerumist ja eraldumist pidevast faasist (ümbritsev vedelik). Emulgeeritud kütuste stabiilsuse saavutamiseks tuleb arvestada mitme põhipunktiga:
- Emulgaatorid (pindaktiivsed ained):
– Roll: Emulgaatorid on molekulid, millel on nii hüdrofiilsed (vett ligitõmbavad) kui ka hüdrofoobsed (vett tõrjuvad) otsad.
– Tegevus: Nad vähendavad pindpinevust kahe segunematu vedeliku vahel ja moodustavad tilkade ümber kaitsekihi, takistades nende koaleerumist.
– Näited: Letsitiin, polüsorbaadid ja naatriumstearoüüllaktülaat. - Mehaanilised meetodid:
Suure jõudlusega segamine: Kasutades suure nihkega segisteid või homogenisaatoreid, et purustada tilgad väiksemateks suurusteks, suurendades pindala ja suurendades stabiilsust. Sondi tüüpi sonikaatorid on suurepärane ja väga usaldusväärne meetod, mis kasutab sonomehaanilisi nihkejõude. Need ultraheli nihkejõud purustavad suured tilgad minutilisteks tilkadeks ja segavad segunematud faasid stabiilseks emulsiooniks. - Viskoossuse modifikaatorid:
Paksendajad: Pideva faasi viskoossuse suurendamine võib aeglustada tilkade liikumist, vähendades koalestsentsi tõenäosust.
– Näited: Ksantaankummi, guarkummi ja karboksümetüültselluloos. - Stabiliseerivad ained:
– Polümeerid: Polümeerid võivad tagada steerilise stabiliseerimise, moodustades tilkade ümber kihi.
– Näited: Pektiin, želatiin ja teatud valgud. - Elektrostaatiline stabiliseerimine:
– Tasu: Mõned emulgaatorid annavad tilkade pinnale elektrilaengu, põhjustades nende üksteise tõrjumist ja vähendades seega koalestsentsi.
– Näited: Naatriumkaseinaat ja sojaletsitiin. - Temperatuuri reguleerimine:
– Jahutus: Temperatuuri alandamine võib suurendada pideva faasi viskoossust ja vähendada tilkade kineetilist energiat, vältides koalestsentsi.
– Faaside eraldamise vältimine: Veenduge, et temperatuur jääb vahemikku, mis takistab komponentide eraldumist. - Lisaainete:
– Antioksüdante: Oksüdatsiooni vältimine võib aidata säilitada emulgaatori ja teiste komponentide terviklikkust.
– kelaativad ained: Metalliioonide sidumine, mis muidu võivad emulsiooni destabiliseerida.
Õiget emulgeerimistehnikat kasutades saab emulsioonid muuta stabiilseks, tagades, et segu jääb homogeenseks ja säilitab soovitud omadused aja jooksul.
Stabiliseerivad emulgaatorid
Üldiselt vajavad emulsioonid stabiliseerimist emulgeeriva aine või pindaktiivse aine abil. Emulgaatorid on amfifiilsed – nad meelitavad ligi nii vett kui ka rasvaseid aineid. See tähendab, et neil on hüdrofiilsed (vett armastavad) ja hüdrofoobsed (õli armastavad) omadused, mis võimaldab neil suhelda nii emulsiooni õli- kui ka veefaasidega. Emulgaatori molekuli hüdrofiilne osa kinnitub veemolekulidele, samas kui hüdrofoobne osa kinnitub õlimolekulidele.
Ümbritsedes õlitilgad emulgaatori molekulidega, loob emulgaator tilkade ümber kaitsekihi, mis takistab nende kokkupuudet üksteisega ja koalestseerub (ühineb) suuremate tilkade moodustamiseks. See aitab hoida emulsiooni stabiilsena ja takistab eraldumist.
Kuna tilkade koalestsents pärast katkestamist mõjutab tilkade suuruse lõplikku jaotust, kasutatakse tõhusalt stabiliseerivaid emulgaatoreid, et säilitada lõplik tilkade suuruse jaotus tasemel, mis on võrdne jaotusega kohe pärast tilkade katkemist ultraheli hajutamise tsoonis. Stabilisaatorid põhjustavad tegelikult pidevat energiatihedust piiskade katkemist.
Tavaliselt kasutatavate emulgaatorite näideteks on letsitiin (mida leidub munakollastes ja sojaubades), mono- ja diglütseriidid, polüsorbaat 80 ja naatriumstearoüüllaktülaat.
Miniemulsioonid, mida saab ultraheliga tõhusalt luua, suurendavad keemilisi reaktsioone. Makroemulsioonpolümerisatsioon (a) versus miniemulsioonpolümerisatsioon (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.