امولسیون‌سازی با کاویتاسیون فراصوتی
طیف گسترده‌ای از محصولات واسطه‌ای و مصرفی – مانند مواد آرایشی، لوسیون‌های پوستی، پمادهای دارویی، ورنی‌ها، رنگ‌ها، روانکارها و سوخت‌ها – به‌طور کامل یا جزئی بر پایهٔ امولسیون‌ها هستند.
Hielscher بزرگ‌ترین پردازشگرهای صنعتی فراصوتی مایعات در جهان را برای امولسیون‌سازی کارآمد جریان‌های حجیم در کارخانه‌های تولیدی می‌سازد.
امولسیون‌سازی فراصوتی چگونه عمل می‌کند
کاربردهای آزمایشگاهی: در محیط‌های آزمایشگاهی، قابلیت امولسیون‌سازی فراصوت به‌دلیل مزایای گوناگون همگن‌سازی و امولسیون‌سازی فراصوتی، از مدت‌ها پیش شناخته شده و به کار گرفته شده است.
فناوری
امولسیون‌سازی فراصوتی قابل‌اعتماد بر استفاده از پروب‌های فراصوتی، که سونوتْرود نیز نامیده می‌شوند، استوار است. این فرایند به شکل زیر عمل می‌کند:
- کوپل‌کردن فراصوت: فراصوت با شدت بالا از طریق پروب فراصوتی به مایعات کوپل می‌شود و کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند.
- اثر کاویتاسیون: کاویتاسیون فراصوتی یا آکوستیکی نیروهای برشی بالایی ایجاد می‌کند که انرژی لازم برای شکستن قطرات بزرگ و تبدیل آن‌ها به قطراتی با اندازهٔ نانو را فراهم می‌کنند.
- تشکیل امولسیون: دو یا چند فاز مایع با یکدیگر مخلوط می‌شوند و یک امولسیون یکنواخت زیرمیکرونی یا نانوامولسیون تشکیل می‌دهند.
افزایش مقیاس صنعتی با فناوری جریان عبوری: استفاده از سلول‌های جریان فراصوتی، افزایش خطی مقیاس تا تولید صنعتی نانوامولسیون‌ها را امکان‌پذیر می‌کند و جریان‌های حجیم را در حالت جریان عبوری پیوسته پردازش می‌کند.
تهیهٔ فراصوتی یک نانوامولسیون شفاف با استفاده از سونیکاتور UP400ST.
مزایای امولسیون‌سازی فراصوتی
امولسیون‌سازی فراصوتی با استفاده از سونیکاتور پروبی، در مقایسه با سایر روش‌های امولسیون‌سازی، مزایای متعددی دارد:
- بهبود پایداری امولسیون: امولسیون‌سازی فراصوتی قطرات کوچک‌تر و توزیع یکنواخت‌تری از قطرات ایجاد می‌کند که به بهبود پایداری امولسیون و افزایش ماندگاری می‌انجامد. با استفاده از فراصوت پرتوان می‌توان قطراتی با اندازهٔ زیرمیکرونی و نانو را به‌طور قابل‌اعتماد تولید کرد.
- بهره‌وری انرژی: امولسیون‌سازی فراصوتی نسبت به سایر روش‌های امولسیون‌سازی به انرژی کمتری نیاز دارد و ازاین‌رو فرایندی با بهره‌وری انرژی بالاتر است.
- مقیاس‌پذیری: مقیاس امولسیون‌سازی فراصوتی را می‌توان بسته به حجم موردنیاز به‌آسانی افزایش یا کاهش داد؛ بنابراین، فرایندی چندمنظوره برای کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی است.
- صرفه‌جویی در زمان: امولسیون‌سازی فراصوتی می‌تواند فرایندی بسیار سریع باشد؛ بسته به مایعات، حجم و تجهیزات، امولسیون‌ها در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه تشکیل می‌شوند.
- کاهش نیاز به سورفکتانت‌ها: امولسیون‌سازی فراصوتی می‌تواند نیاز به سورفکتانت‌ها را که اغلب برای پایدارسازی امولسیون‌ها ضروری هستند، کاهش دهد. بااین‌حال، با کاهش اندازهٔ قطرات، مساحت سطح ذره افزایش می‌یابد و سطح بیشتری باید با سورفکتانت پوشانده شود. فراصوت‌دهی تقریباً با هر نوع سورفکتانت، از جمله امولسیون‌کننده‌های جایگزین و نوین، سازگار است.
- تولید گرمای حداقلی و قابل‌کنترل: امولسیون‌سازی فراصوتی فرایندی غیرحرارتی است و می‌توان از تولید گرما هنگام پردازش جلوگیری کرد یا آن را به سطح پایینی رساند. درنتیجه، خطر تخریب حرارتی ترکیبات یا مواد تشکیل‌دهندهٔ حساس کاهش می‌یابد.
مزایای امولسیون‌سازی فراصوتی با استفاده از سونیکاتور پروبی، آن را به گزینه‌ای عالی برای امولسیون‌سازی در حوزه‌های گوناگون، از جمله مواد غذایی و نوشیدنی، داروسازی، مواد آرایشی، مواد شیمیایی ظریف و سوخت‌ها تبدیل می‌کند.
دربارهٔ امولسیون‌سازی فراصوتی مایونز بیشتر بخوانید!
دربارهٔ تولید امولسیون‌های موم پارافین با استفاده از فراصوت‌دهی بیشتر بخوانید!
دربارهٔ امولسیون‌های آب در گازوئیل تولیدشده با فراصوت بیشتر بخوانید!
اندازه‌گیری DLS توزیع یکنواخت اندازهٔ قطرات امولسیون روغن گل رز در آب را که با فراصوت تولید شده است، نشان می‌دهد.
امولسیون چیست؟امولسیون‌ها پراکنه‌هایی از دو یا چند مایع امتزاج‌ناپذیر هستند. فراصوت با شدت بسیار بالا، توان لازم برای پراکنده‌کردن یک فاز مایع (فاز پراکنده) به‌صورت قطرات کوچک در فاز دوم (فاز پیوسته) را تأمین می‌کند. در ناحیهٔ پراکنده‌سازی، فروپاشی درون‌سوی حباب‌های کاویتاسیون، امواج ضربه‌ای شدیدی در مایع پیرامون ایجاد می‌کند و به تشکیل جت‌های مایع با سرعت بالای جریان مایع می‌انجامد.
نانوامولسیون‌ها – کاربرد قدرتمند سونیکاتورها
نانوامولسیون‌ها امولسیون‌هایی هستند که اندازهٔ قطرات آن‌ها معمولاً کمتر از 100 نانومتر است. نانوامولسیون‌ها نسبت به امولسیون‌های متداول مزایای متعددی دارند، از جمله ویژگی‌های عملکردی منحصربه‌فرد، پایداری بیشتر، شفافیت و غیره.
فراصوت‌دهی، به‌ویژه در تشکیل نانوامولسیون‌ها، از فناوری‌های سنتی امولسیون‌سازی عملکرد بهتری دارد. این امر ناشی از سازوکار عملکرد بسیار کارآمد فراصوت با شدت بالای انرژی است.
ویدئوی زیر فرایند امولسیون‌سازی روغن (زرد) در آب (قرمز) را با استفاده از سونیکاتور آزمایشگاهی UP400S نشان می‌دهد.
سازوکار عملکرد امولسیون‌سازی فراصوتی
کاویتاسیون آکوستیکی: نیروی محرک امولسیون‌سازی و نانوامولسیون‌سازی فراصوتی
امولسیون‌سازی فراصوتی بر اثرات قدرتمند کاویتاسیون آکوستیکی متکی است؛ پدیده‌ای که هنگام عبور امواج فراصوت با شدت بالا از مایع رخ می‌دهد. طی این فرایند، حباب‌های میکروسکوپی تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و سپس به‌شدت فرو می‌پاشند. فروپاشی درون‌سوی این حباب‌ها شرایط موضعی شدیدی ایجاد می‌کند، از جمله گرادیان‌های شدید فشار و دما، نیروهای برشی بالا، امواج ضربه‌ای و میکروجت‌های مایع. این نیروها ذرات بزرگ، قطرات و کلوخه‌ها را به‌طور مؤثر به ساختارهای بسیار کوچک‌تر می‌شکنند.
تصویر سمت چپ کاویتاسیون آکوستیکی ایجادشده توسط پردازشگر فراصوتی UIP1000hdT با توان (1000 W) را نشان می‌دهد که در یک ستون شیشه‌ای پُر از مایع کار می‌کند.
کاویتاسیون آکوستیکی چگونه امولسیون‌سازی را بهبود می‌دهد
هم در امولسیون‌سازی و هم در نانوامولسیون‌سازی، شدت کاویتاسیون عاملی کلیدی در تعیین اندازهٔ قطرات است. با فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون، نیروهای برشی حاصل، قطرات بزرگ‌تر را به قطرات هرچه کوچک‌تر تقسیم می‌کنند. هم‌زمان، تغییرات موضعی فشار و دما تشکیل قطرات جدید را تسهیل می‌کنند و به پایدارسازی امولسیون نیز کمک می‌کنند.
این ترکیبِ شکستن قطرات و پایدارسازی، فناوری فراصوت را قادر می‌سازد امولسیون‌هایی بسیار یکنواخت با توزیع اندازهٔ قطراتی فوق‌العاده ریز تولید کند.
توزیع اندازهٔ قطرات امولسیون‌های آب و روغن زیتون تهیه‌شده با (a) روش همگن‌سازی کلاسیک و (b) روش همگن‌سازی فراصوتی (با استفاده از UP400S)، با MD، WPI و مخلوط آن‌ها، دارای 40% مادهٔ خشک و محتوای روغن 9% (w/w). امولسیون‌سازی فراصوتی به قطراتی به‌مراتب کوچک‌تر، خامه‌ای‌شدن کمتر و پایداری کلی بهتر امولسیون می‌انجامد.
(مطالعه و نمودارها: Zungur et al., 2015)
پروب‌های فراصوتی برای امولسیون‌سازی کارآمد
Hielscher طیف گسترده‌ای از سونیکاتورهای پروبی و لوازم جانبی را برای امولسیون‌سازی و پراکنده‌سازی کارآمد مایعات در حالت ناپیوسته و جریان عبوری عرضه می‌کند.
سامانه‌های متشکل از چندین پردازشگر فراصوتی، هر یک با توان حداکثر 16٬000 وات، ظرفیت لازم را برای تبدیل این کاربرد آزمایشگاهی به روشی کارآمد در تولید فراهم می‌کنند تا امولسیون‌هایی با پراکندگی ریز در جریان پیوسته یا به‌صورت ناپیوسته به دست آید – با نتایجی قابل‌مقایسه با بهترین هموژنایزرهای فشار بالای موجود امروزی، مانند شیر روزنه‌ای جدید. افزون بر این کارایی بالا در امولسیون‌سازی پیوسته، دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به نگهداری بسیار کمی نیاز دارند و کار با آن‌ها و تمیزکردنشان بسیار آسان است. فراصوت در واقع به تمیزکردن و آبکشی کمک می‌کند. توان فراصوت قابل‌تنظیم است و می‌توان آن را با محصولات خاص و الزامات امولسیون‌سازی تطبیق داد. راکتورهای ویژهٔ سلول جریان که الزامات پیشرفتهٔ CIP (شست‌وشو در محل) و SIP (استریل‌سازی در محل) را برآورده می‌کنند نیز موجود هستند.
MultiSonoReactor MSR-4 یک راکتور همگن‌سازی درون‌خطی صنعتی است که برای فرایندهای امولسیون‌سازی و نانوامولسیون‌سازی با ظرفیت پردازش بالا مناسب است.
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator یک تجهیز جانبی قدرتمند و سازگار با راکتورهای سلول جریان فراصوتی Hielscher است: با استفاده از قطعهٔ داخلی MPC48، فاز پراکنده از طریق 48 کانولا به شکل رشته‌های باریک مایع به ناحیهٔ فعال فراصوتی تزریق می‌شود؛ در این ناحیه، فاز پراکنده و فاز پیوسته به‌صورت قطرات بسیار ریز با یکدیگر مخلوط می‌شوند و نانوامولسیون تشکیل می‌دهند.
ببینید MultiPhaseCavitator چگونه امولسیون‌سازی را بهبود می‌دهد!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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
نکات دانستنی
تعریف اصطلاح «امولسیون»
امولسیون مخلوطی از دو یا چند مایع امتزاج‌ناپذیر، مانند روغن و آب، است.
امولسیون‌ها می‌توانند روغن در آب باشند (که در آن قطرات روغن در آب پراکنده‌اند) یا آب در روغن (که در آن قطرات آب در روغن پراکنده‌اند). امولسیون‌ها در کاربردهای گوناگون، از جمله محصولات غذایی (مانند سس‌های سالاد و مایونز)، مواد آرایشی (مانند لوسیون‌ها و کرم‌ها) و محصولات دارویی (مانند واکسن‌ها) استفاده می‌شوند.
امولسیون‌کننده با کاهش کشش سطحی بین دو مادهٔ امتزاج‌ناپذیر (مانند روغن و آب) در امولسیون عمل می‌کند. این امر تمایل دو ماده به جداشدن را کاهش می‌دهد و به آن‌ها امکان می‌دهد مخلوطی پایدار تشکیل دهند.
چگونه امولسیون پایدار می‌شود؟
امولسیون با جلوگیری از هم‌جوشی فاز پراکنده (قطرات یک مایع) و جداشدن آن از فاز پیوسته (مایع پیرامون) پایدار می‌شود. برای دستیابی به پایداری در امولسیون‌ها باید چند نکتهٔ کلیدی را در نظر گرفت:
- امولسیون‌کننده‌ها (سورفکتانت‌ها):
– نقش: امولسیون‌کننده‌ها مولکول‌هایی هستند که هم انتهای آب‌دوست (جاذب آب) و هم انتهای آب‌گریز (دافع آب) دارند.
– عملکرد: آن‌ها کشش سطحی بین دو مایع امتزاج‌ناپذیر را کاهش می‌دهند و لایه‌ای محافظ پیرامون قطرات تشکیل می‌دهند که از هم‌جوشی آن‌ها جلوگیری می‌کند.
– نمونه‌ها: لسیتین، پلی‌سوربات‌ها و سدیم استئاروئیل لاکتیلات. - روش‌های مکانیکی:
اختلاط با عملکرد بالا: استفاده از مخلوط‌کن‌های با برش بالا یا هموژنایزرها برای شکستن قطرات به اندازه‌های کوچک‌تر، افزایش مساحت سطح و بهبود پایداری. استفاده از سونیکاتورهای پروبی، روشی عالی و بسیار قابل‌اعتماد است که از نیروهای برشی صوتی‌مکانیکی بهره می‌گیرد. این نیروهای برشی فراصوتی قطرات بزرگ را به قطرات بسیار ریز می‌شکنند و فازهای امتزاج‌ناپذیر را به‌صورت امولسیونی پایدار با یکدیگر مخلوط می‌کنند. - اصلاح‌کننده‌های گرانروی:
غلظت‌دهنده‌ها: افزایش گرانروی فاز پیوسته می‌تواند حرکت قطرات را کند کند و احتمال هم‌جوشی آن‌ها را کاهش دهد.
– نمونه‌ها: صمغ زانتان، صمغ گوار و کربوکسی‌متیل سلولز. - عوامل پایدارکننده:
– پلیمرها: پلیمرها می‌توانند با تشکیل لایه‌ای ضخیم پیرامون قطرات، پایدارسازی فضایی ایجاد کنند.
– نمونه‌ها: پکتین، ژلاتین و برخی پروتئین‌ها. - پایدارسازی الکترواستاتیکی:
– بار: برخی امولسیون‌کننده‌ها به سطح قطرات بار الکتریکی می‌دهند و باعث می‌شوند قطرات یکدیگر را دفع کنند؛ درنتیجه هم‌جوشی کاهش می‌یابد.
– نمونه‌ها: کازئینات سدیم و لسیتین سویا. - کنترل دما:
– خنک‌کردن: کاهش دما می‌تواند گرانروی فاز پیوسته را افزایش و انرژی جنبشی قطرات را کاهش دهد و از هم‌جوشی جلوگیری کند.
– جلوگیری از جدایش فازی: اطمینان از اینکه دما در محدوده‌ای باقی می‌ماند که از جداشدن اجزا جلوگیری می‌کند. - افزودنی‌ها:
– آنتی‌اکسیدان‌ها: جلوگیری از اکسیداسیون می‌تواند به حفظ سلامت امولسیون‌کننده و سایر اجزا کمک کند.
– عوامل کلاته‌کننده: اتصال به یون‌های فلزی که در غیر این صورت ممکن است امولسیون را ناپایدار کنند.
با به‌کارگیری روش مناسب امولسیون‌سازی می‌توان امولسیون‌ها را پایدار کرد و اطمینان یافت که مخلوط در گذر زمان همگن می‌ماند و خواص مطلوب خود را حفظ می‌کند.
امولسیون‌کننده‌های پایدارکننده
به‌طور کلی، امولسیون‌ها به پایدارسازی با استفاده از یک عامل امولسیون‌کننده یا سورفکتانت نیاز دارند. امولسیون‌کننده‌ها آمفی‌فیلیک هستند – هم آب و هم مواد چرب را جذب می‌کنند. این بدان معناست که ویژگی‌های آب‌دوست و آب‌گریز (روغن‌دوست) دارند و به همین دلیل می‌توانند با هر دو فاز روغن و آب امولسیون برهم‌کنش داشته باشند. بخش آب‌دوست مولکول امولسیون‌کننده به مولکول‌های آب متصل می‌شود، درحالی‌که بخش آب‌گریز به مولکول‌های روغن متصل می‌شود.
امولسیون‌کننده با احاطه‌کردن قطرات روغن توسط مولکول‌های خود، لایه‌ای محافظ پیرامون قطرات ایجاد می‌کند که از تماس آن‌ها با یکدیگر و هم‌جوشی (به‌هم‌پیوستن) برای تشکیل قطرات بزرگ‌تر جلوگیری می‌کند. این امر به حفظ پایداری امولسیون کمک کرده و از جدایش جلوگیری می‌کند.
ازآنجاکه هم‌جوشی قطرات پس از شکستن بر توزیع نهایی اندازهٔ قطرات اثر می‌گذارد، از امولسیون‌کننده‌هایی با توان پایدارسازی مؤثر استفاده می‌شود تا توزیع نهایی اندازهٔ قطرات در سطحی برابر با توزیع بلافاصله پس از شکستن قطرات در ناحیهٔ پراکنده‌سازی فراصوتی حفظ شود. پایدارکننده‌ها در واقع در چگالی انرژی ثابت، شکستن قطرات را بهبود می‌دهند.
نمونه‌هایی از امولسیون‌کننده‌های رایج عبارت‌اند از لسیتین (که در زردهٔ تخم‌مرغ و دانهٔ سویا یافت می‌شود)، مونوگلیسریدها و دی‌گلیسریدها، پلی‌سوربات 80 و سدیم استئاروئیل لاکتیلات.
مینی‌امولسیون‌ها، که می‌توان آن‌ها را با فراصوت‌دهی به‌طور کارآمد تولید کرد، واکنش‌های شیمیایی را بهبود می‌دهند. پلیمریزاسیون ماکروامولسیونی (a) در مقایسه با پلیمریزاسیون مینی‌امولسیونی (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.