امولسیون کردن توسط کاویتاسیون اولتراسونیک
طیف گستردهای از محصولات واسطهای و مصرفی، – مانند لوازم آرایشی، لوسیونهای پوست، پمادهای دارویی، لاکها، رنگها، روانکنندهها و سوختها – به طور کامل یا جزئی بر پایه امولسیونها ساخته شدهاند.
شرکت Hielscher بزرگترین پردازشگر مایع اولتراسونیک صنعتی جهان را برای امولسیونسازی مؤثر جریانهای حجیم در کارخانهها تولید میکند.
چگونگی عملکرد امولسیونسازی اولتراسونیک
کاربردهای آزمایشگاهی: در محیطهای آزمایشگاهی، قدرت امولسیونسازی اولتراسونیک مدتهاست که شناخته شده و به دلیل فواید مختلف مرتبط با همگنسازی و امولسیونسازی اولتراسونیک به کار گرفته میشود.
فناوری
امولسیونسازی اولتراسونیک قابل اعتماد مبتنی بر استفاده از پروبهای اولتراسونیک است که به آنها سونوترد نیز گفته میشود. این فرآیند به صورت زیر عمل میکند:
- جفتشدن اولتراسونیک: از طریق پراب اولتراسونیک، امواج صوتی با شدت بالا به مایعات منتقل میشوند و کاویتاسیون صوتی ایجاد میکنند.
- اثر کاویتاسیون: کاویتاسیون اولتراسونیک یا صوتی نیروهای برشی بالایی تولید میکند که انرژی لازم برای تجزیه قطرات بزرگ به قطرات نانویی را فراهم میکند.
- تشکیل امولسیون: دو یا چند فاز مایع با هم مخلوط میشوند تا یک نانوامیولسیون یا سابمیکرونی یکنواخت ایجاد شود.
گسترش در مقیاس صنعتی از طریق فناوری جریان مداوم:استفاده از سلولهای جریان اولتراسونیک امکان گسترش خطی برای تولید صنعتی نانوامیولسیونها را فراهم میکند و جریانهای حجیم را به صورت مداوم پردازش میکند.
تهیه اولتراسونیک یک نانوامیولسیون شفاف با استفاده از اولتراسونیک UP400ST.
مزایای امولسیفیکاسیون اولتراسونیک
امولسیون اولتراسونیک با استفاده از یک اولتراسونیک نوع پروب ارائه می دهد مزایای متعددی نسبت به سایر تکنیک های امولسیون کننده:
- پایداری امولسیون بهبود یافته: امولسیون اولتراسونیک باعث ایجاد اندازه قطرات کوچکتر و توزیع قطرات یکنواخت تر می شود و در نتیجه ثبات امولسیون بهبود یافته و ماندگاری طولانی تری دارد. قطرات زیر میکرون و نانو را می توان با استفاده از سونوگرافی قدرت به طور قابل اعتماد تولید کرد.
- بهره وری انرژی: امولسیون مافوق صوت نیاز به انرژی کمتری نسبت به سایر روش های امولسیون سازی, و آن را به یک فرایند انرژی کارآمد تر.
- مقیاس پذیری: امولسیون اولتراسونیک را می توان به راحتی بسته به حجم مورد نیاز افزایش داد یا کاهش داد و آن را به یک فرآیند همه کاره برای هر دو برنامه آزمایشگاهی و صنعتی تبدیل کرد.
- صرفه جویی در زمان: امولسیون اولتراسونیک می تواند یک فرایند بسیار سریع باشد، با امولسیون تشکیل در ثانیه تا دقیقه، بسته به مایعات، حجم و تجهیزات.
- کاهش نیاز به سورفکتانت ها: امولسیون اولتراسونیک می تواند نیاز به سورفکتانت ها را کاهش دهد که اغلب برای تثبیت امولسیون ها مورد نیاز است. با این حال، با کاهش اندازه قطرات، سطح ذره افزایش می یابد و مساحت بیشتری باید توسط یک سورفکتانت پوشانده شود. امواج فراصوت تقریبا با هر نوع سورفکتانت از جمله امولسیفایر های جایگزین و جدید سازگار است.
- تولید گرمای حداقل و قابل کنترل: امولسیون اولتراسونیک یک فرآیند غیر حرارتی است و تولید گرما در طول پردازش را می توان اجتناب کرد و یا به میزان کمی کاهش می یابد. در نتیجه، خطر تخریب حرارتی ترکیبات یا مواد حساس کاهش می یابد.
مزایای استفاده از امولسیون اولتراسونیک با استفاده از یک اولتراسونیک نوع پروب آن را به یک انتخاب عالی برای امولسیون در زمینه های مختلف از جمله مواد غذایی و آشامیدنی، داروسازی، لوازم آرایشی، مواد شیمیایی خوب و سوخت ها تبدیل می کند.
اطلاعات بیشتر در مورد امولسیون سس مایونز اولتراسونیک!
اطلاعات بیشتر در مورد تولید امولسیون های موم پارافین با استفاده از فراصوت!
اطلاعات بیشتر در مورد امولسیون های آب در دیزل تولید شده با استفاده از اولتراسونیک!
The DLS measurement shows the uniform droplet size distribution of an ultrasonically produced rose oil-in-water emulsion.
امولسیون چیست؟امولسیون ها پراکندگی دو یا چند مایع غیرقابل اختلاط هستند. اولتراسوند بسیار شدید توان مورد نیاز را برای پراکنده کردن یک فاز مایع (فاز پراکنده) در قطرات کوچک در فاز دوم (فاز پیوسته) تامین می کند. در ناحیه پراکندگی، انفجار حباب های کاویتاسیون باعث ایجاد امواج ضربه ای شدید در مایع اطراف می شود و منجر به تشکیل جت های مایع با سرعت مایع بالا می شود.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
نانو امولسیون ها – کاربرد قدرت برای سونیکاتورها
نانو امولسیون ها امولسیون هایی با قطرات هستند که به طور معمول کمتر از 100 نانومتر اندازه دارند. نانوامولسیون ها مزایای متعددی نسبت به امولسیون های معمولی دارند، از جمله خواص عملکردی منحصر به فرد، پایداری بالاتر، شفافیت و غیره.
امواج فراصوت از فن آوری های امولسیون سنتی به ویژه هنگامی که آن را به تشکیل نانو امولسیون می آید، پیشی می گیرد. این به دلیل اصل کار بسیار کارآمد و انرژی فشرده سونوگرافی است.
ویدئو زیر نشان می دهد فرایند امولسیون نفت (زرد) به آب (قرمز) با استفاده از مافوق صوت آزمایشگاه UP400S.
اصل کار امولسیون اولتراسونیک
کاویتاسیون صوتی: نیروی محرکه پشت امولسیون اولتراسونیک و نانو-امولسیون
امولسیون اولتراسونیک متکی به اثرات قدرتمند کاویتاسیون صوتی است، پدیدهای که زمانی رخ میدهد که امواج اولتراسونیک با شدت بالا از یک مایع عبور میکنند. در طول این فرآیند، حبابهای میکروسکوپی شکل میگیرند، رشد میکنند و سپس به طور شدید فروپاشی میکنند. فروپاشی انفجاری این حبابها شرایط موضعی شدید ایجاد میکند، از جمله گرادیانهای فشار و دما شدید، نیروهای برشی بالا، موجهای شوک و میکروجتهای مایع. این نیروها بهطور مؤثر ذرات بزرگ، قطرات و تجمعها را به ساختارهای بسیار کوچکتر شکسته و تحلیل میکنند.
تصویر سمت چپ، کاوییتاسیون صوتی ایجاد شده توسط پردازنده اولتراسونیک UIP1000hdT (1000 وات) که در یک ستون شیشهای پر از مایع کار میکند را نشان میدهد.
چگونه کاوییتاسیون صوتی امولسیفیکاسیون را بهبود میبخشد
در هر دو فرآیند امولسیفیکاسیون و نانو-امولسیفیکاسیون، شدت کاوییتاسیون عامل کلیدی در تعیین اندازه قطرههاست. هنگامی که حبابهای کاویتی فرو میریزند، نیروهای برشی حاصل، قطرات بزرگتر را به قطرات کوچکتر تقسیم میکنند. همزمان، تغییرات موضعی فشار و دما تشکیل قطرات جدید را تسهیل کرده و به تثبیت امولسیون کمک میکند.
این ترکیب از تجزیه و تثبیت قطرات، تکنولوژی اولتراسونیک را قادر میسازد تا امولسیونهایی با یکنواختی بالا و توزیع اندازه قطره بسیار ریز تولید کند.
Droplet size distribution of water-olive oil emulsions prepared by (a) classic homogenization method (b) ultrasonic homogenization (using the UP400S) method with MD, WPI and their mixture, having 40% dry matter with 9% oil (w/w) content. Ultrasonic emulsification results in significantly smaller droplets, less creaming and a better overall emulsion stability.
(مطالعه و نمودارها: Zungur و همکاران، 2015)
پروب های اولتراسونیک برای امولسیون کارآمد
Hielscher ارائه می دهد طیف گسترده ای از پروب نوع ultrasonicators و لوازم جانبی برای امولسیون کارآمد و پراکنده مایعات در دسته ای و جریان از طریق حالت.
سیستم های متشکل از چندین پردازنده اولتراسونیک تا 16000 وات هر کدام، ظرفیت مورد نیاز برای ترجمه این برنامه آزمایشگاهی به یک روش تولید کارآمد را برای به دست آوردن امولسیون های ریز پراکنده در جریان مداوم یا به صورت دسته ای فراهم می کنند – دستیابی به نتایجی قابل مقایسه با بهترین هموژنایزرهای فشار قوی امروزی، مانند شیر اوریفیس جدید. علاوه بر این راندمان بالا در امولسیون مداوم، دستگاه های مافوق صوت Hielscher نیاز به تعمیر و نگهداری بسیار کم و بسیار آسان برای کار و تمیز کردن هستند. سونوگرافی در واقع از تمیز کردن و شستشو پشتیبانی می کند. قدرت اولتراسونیک قابل تنظیم است و می تواند با محصولات خاص و نیازهای امولسیون سازگار شود. راکتورهای سلول جریان ویژه که الزامات پیشرفته CIP (تمیز کردن در محل) و SIP (استریل کردن در محل) را برآورده می کنند نیز در دسترس هستند.
MultiSonoReactor MSR-4 یک راکتور همگن سازی درون خطی صنعتی است که برای فرآیندهای امولسیون سازی (نانو) با توان عملیاتی بالا مناسب است.
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 0.5 تا 1.5 میلی لیتر | ن.ا. | VialTweeter(ویال گروهی) | 1 تا 500 میلی لیتر | 10 تا 200 میلی لیتر در دقیقه | UP100H |
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
| 15 تا 150 لیتر | 3 تا 15 لیتر در دقیقه | UIP6000hdT |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
تماس با ما! / از ما بپرسید!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
مولتیفاز کاویتاتور یک لوازم جانبی قدرتمند است که با راکتورهای سلول جریان اولتراسونیک هایلشر سازگار است: با استفاده از درج MPC48، فاز پراکنده از طریق 48 کانولا به صورت رشتههای نازک مایع به ناحیه داغ اولتراسونیک تزریق میشود، جایی که فاز پراکنده و فاز پیوسته به قطرات ریز به نانو امولسیون مخلوط میشوند.
کشف کنید که چگونه مولتیفاز کاویتاتور امولسیفیکاسیون را بهبود میبخشد!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
ادبیات / منابع
- 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
حقایقی که ارزش دانستن دارند
تعریف اصطلاح “امولسیون”
امولسیون مخلوطی از دو یا چند مایع غیرقابل اختلاط مانند روغن و آب است.
امولسیون ها می توانند روغن در آب (جایی که قطرات روغن در آب پراکنده می شوند) یا آب در روغن (جایی که قطرات آب در روغن پراکنده می شوند) باشند. امولسیون ها در کاربردهای مختلفی از جمله محصولات غذایی (مانند سس سالاد و سس مایونز)، لوازم آرایشی (مانند لوسیون ها و کرم ها) و داروها (مانند واکسن ها) استفاده می شوند.
یک امولسیفایر با کاهش کشش سطحی بین دو ماده غیر قابل اختلاط (مانند روغن و آب) در یک امولسیون کار می کند. این امر تمایل دو ماده به جدا شدن را کاهش می دهد و به آنها اجازه می دهد تا مخلوطی پایدار تشکیل دهند.
چگونه یک امولسیون پایدار می شود؟
یک امولسیون با جلوگیری از ادغام فاز پراکنده (قطرات یک مایع) و جدا شدن از فاز پیوسته (مایع اطراف) پایدار می شود. برای دستیابی به ثبات در امولسیون ها باید چندین نکته کلیدی در نظر گرفته شود:
- امولسیون کننده ها (سورفکتانت ها):
– نقش: امولسیون کننده ها مولکول هایی هستند که هم انتهای آب دوست (جذب آب) و هم آبگریز (دافع آب) دارند.
– اقدام: آنها کشش سطحی بین دو مایع غیر قابل اختلاط را کاهش می دهند و یک لایه محافظ در اطراف قطرات تشکیل می دهند و از ادغام آنها جلوگیری می کنند.
– نمونه: لسیتین ، پلی سوربات ها و سدیم استئارویل لاکتیلات. - روش های مکانیکی:
مخلوط کردن با کارایی بالا: استفاده از میکسرها یا هموژنایزرهای با برش بالا برای شکستن قطرات به اندازه های کوچکتر، افزایش سطح و افزایش پایداری. فراصوت پروب نوع یک روش عالی و بسیار قابل اعتماد با استفاده از نیروهای برشی سونومکانیکی است. این نیروهای برشی اولتراسونیک قطرات بزرگ را به قطرات دقیقه ای تقسیم می کنند و فازهای غیر قابل اختلاط را به یک امولسیون پایدار تبدیل می کنند. - اصلاح کننده های ویسکوزیته:
غلیظ کننده ها: افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته می تواند حرکت قطرات را کند کند و احتمال ادغام را کاهش دهد.
– نمونه: صمغ زانتان، صمغ گوار و کربوکسی متیل سلولز. - عوامل تثبیت کننده:
– پلیمرها: پلیمرها می توانند با تشکیل یک لایه ضخیم در اطراف قطرات، تثبیت فضایی را ایجاد کنند.
– نمونه: پکتین، ژلاتین و پروتئین های خاص. - تثبیت کننده الکترواستاتیک:
– اتهام: برخی از امولسیون کننده ها بار الکتریکی را به سطح قطرات منتقل می کنند و باعث می شوند که آنها یکدیگر را دفع کنند و در نتیجه ادغام را کاهش دهند.
– نمونه: کازئینات سدیم و لسیتین سویا. - کنترل دما:
– خنک کننده: کاهش دما می تواند ویسکوزیته فاز پیوسته را افزایش دهد و انرژی جنبشی قطرات را کاهش دهد و از ادغام جلوگیری کند.
– اجتناب از جداسازی فاز: اطمینان از اینکه دما در محدوده ای باقی می ماند که از جدا شدن اجزا جلوگیری می کند. - افزودنی:
– آنتی اکسیدان: جلوگیری از اکسیداسیون می تواند به حفظ یکپارچگی امولسیفایر و سایر اجزا کمک کند.
– عوامل کیلیت: اتصال یون های فلزی که در غیر این صورت ممکن است امولسیون را بی ثبات کند.
با استفاده از تکنیک مناسب امولسیون ، می توان امولسیون ها را پایدار کرد و اطمینان حاصل کرد که مخلوط همگن باقی می ماند و خواص مورد نظر خود را در طول زمان حفظ می کند.
امولسیفایر های تثبیت کننده
به طور کلی، امولسیون ها نیاز به تثبیت با استفاده از یک عامل امولسیون کننده یا سورفکتانت دارند. امولسیون کننده ها آمفیفیلیک هستند - هم آب و هم مواد چرب را جذب می کنند. این بدان معناست که آنها دارای خواص آب دوست (آب دوست) و آبگریز (روغن دوست) هستند که به آنها امکان می دهد با هر دو مرحله روغن و آب امولسیون تعامل داشته باشند. قسمت آب دوست مولکول امولسیفایر به مولکول های آب متصل می شود ، در حالی که قسمت آبگریز به مولکول های روغن متصل می شود.
امولسیفایر با احاطه کردن قطرات روغن با مولکول های امولسیفایر ، یک لایه محافظ در اطراف قطرات ایجاد می کند که از تماس آنها با یکدیگر و ادغام (پیوستن) برای تشکیل قطرات بزرگتر جلوگیری می کند. این به پایدار نگه داشتن امولسیون کمک می کند و از جداسازی جلوگیری می کند.
از آنجایی که ادغام قطرات پس از اختلال بر توزیع نهایی اندازه قطرات تأثیر می گذارد، از امولسیون کننده های تثبیت کننده کارآمد برای حفظ توزیع نهایی اندازه قطرات در سطحی که برابر با توزیع بلافاصله پس از اختلال قطرات در منطقه پراکندگی اولتراسونیک است، استفاده می شود. تثبیت کننده ها در واقع منجر به بهبود اختلال قطرات در چگالی انرژی ثابت می شوند.
نمونه هایی از امولسیون کننده های رایج شامل لسیتین (که در زرده تخم مرغ و دانه های سویا یافت می شود) ، مونو و دی گلیسیرید ، پلی سوربات 80 و سدیم استئارویل لاکتیلات است.
مینیمولسیون ها، که می تواند به طور موثر توسط سونوگرافی ایجاد، افزایش واکنش های شیمیایی. پلیمریزاسیون ماکروامولسیون (a) در مقابل پلیمریزاسیون مینی امولسیون (b) [Schork و همکاران 2005: 136]
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.