Emulgointi ultraäänikavitaatiolla
Laaja valikoima välituotteita ja kuluttajatuotteita – kuten kosmetiikka, ihovoiteet, lääkevoiteet, lakat, maalit, voiteluaineet ja polttoaineet – perustuvat kokonaan tai osittain emulsioihin.
Hielscher valmistaa maailman suurimpia teollisia ultraääninesteprosessoreita suurten nestemäärien tehokkaaseen emulgointiin tuotantolaitoksissa.
Ultrasonic-emulgoinnin toimintaperiaate
Laboratoriosovellukset: Laboratorio-olosuhteissa ultraäänen emulgointikyky on tunnettu ja sitä on hyödynnetty jo pitkään ultraäänihomogenisoinnin ja -emulgoinnin monien etujen ansiosta.
Tekniikka
Luotettava ultraääniemulgointi perustuu ultraäänielementtien, eli sonotroodien, käyttöön. Prosessi toimii seuraavasti:
- Ultraäänikytkentä: Ultraäänikärjen avulla nesteisiin johdetaan voimakasta ultraääntä, mikä aiheuttaa akustista kavitaatiota.
- Kavitaatioilmiö: Ultraääni- tai akustinen kavitaatio tuottaa suuria leikkausvoimia, jotka tuottavat tarvittavan energian suurten pisaroiden hajottamiseksi nanokokoisiksi pisaroiksi.
- Emulsion muodostuminen: Kaksi tai useampia nestemäisiä faaseja sekoitetaan tasaiseksi submikroniseksi tai nanoemulsiaksi.
Teollinen laajennus virtaustekniikan avulla: Ultraäänivirtauskammioiden käyttö mahdollistaa nanoemulsioiden lineaarisen mittakaavan laajentamisen teolliseen tuotantoon, jossa suuria tilavuusvirtoja käsitellään jatkuvassa läpivirtauksessa.
Kirkkaan nanoemulsion valmistus ultraäänellä UP400ST-ultraäänilaitteella.
Ultraäänisulatusmenetelmän edut
Ultraääniemulgointi koetintyyppisellä ultraäänilaitteella tarjoaa useita etuja muihin emulgointitekniikoihin verrattuna:
- Parannettu emulsion stabiilisuus: Ultraääniemulgointi luo pienempiä pisarakokoja ja tasaisempaa pisaroiden jakautumista, mikä parantaa emulsion stabiilisuutta ja pidempää säilyvyyttä. Submikroni- ja nanokokoisia pisaroita voidaan tuottaa luotettavasti tehon ultraäänellä.
- Energiatehokkuus: Ultraääniemulgointi vaatii vähemmän energiaa kuin muut emulgointimenetelmät, mikä tekee siitä energiatehokkaamman prosessin.
- Skaalautuvuus: Ultraääniemulgointia voidaan helposti skaalata ylös tai alas vaaditusta tilavuudesta riippuen, mikä tekee siitä monipuolisen prosessin sekä laboratorio- että teollisuussovelluksiin.
- Aikaa säästävä: Ultraääniemulgointi voi olla erittäin nopea prosessi, jossa emulsiot muodostuvat sekunneista minuutteihin nesteistä, tilavuudesta ja laitteista riippuen.
- Vähentynyt pinta-aktiivisten aineiden tarve: Ultraääniemulgointi voi vähentää pinta-aktiivisten aineiden tarvetta, joita tarvitaan usein emulsioiden stabilointiin. Pienemmällä pisarakoolla hiukkasen pinta-ala kuitenkin kasvaa ja pinta-aktiivisen aineen on peitettävä enemmän aluetta. Ultrasonication on yhteensopiva melkein minkä tahansa pinta-aktiivisen aineen kanssa, mukaan lukien vaihtoehtoiset ja uudet emulgointiaineet.
- Minimaalinen ja säädettävissä oleva lämmöntuotanto: Ultraääniemulgointi on ei-terminen prosessi, ja lämmöntuotantoa käsittelyn aikana voidaan välttää tai vähentää pienessä määrin. Näin herkkien yhdisteiden tai ainesosien lämpöhajoamisen riski vähenee.
Ultraääniemulgoinnin edut koetintyyppisellä ultraäänilaitteella tekevät siitä erinomaisen valinnan emulgointiin monilla aloilla, mukaan lukien ruoka ja juoma, lääkkeet, kosmetiikka, hienot kemikaalit ja polttoaineet.
Lue lisää ultraäänimajoneesin emulgoinnista!
Lue lisää parafiinivahaemulsioiden tuotannosta sonikaatiolla!
Lue lisää ultraäänellä tuotetuista vesi-dieselemulsioista!
DLS-mittaus osoittaa ultraäänellä valmistetun ruusuöljy-vesi-emulsion pisaran koon jakautuvan tasaisesti.
Mikä on emulsio?Emulsiot ovat kahden tai useamman sekoittumattoman nesteen dispersioita. Erittäin intensiivinen ultraääni tuottaa tehon, joka tarvitaan nestefaasin (dispergoidun faasin) hajottamiseen pieniin pisaroihin toisessa vaiheessa (jatkuva vaihe). Dispergointivyöhykkeellä luhistuvat kavitaatiokuplat aiheuttavat voimakkaita iskuaaltoja ympäröivässä nesteessä ja johtavat nestemäisten suihkujen muodostumiseen, joilla on suuri nestenopeus.
nano-emulsiot – Sonicator-laitteiden teho-ohjelma
Nanoemulsiot ovat emulsioita, joiden pisarat ovat tyypillisesti alle 100 nanometrin kokoisia. Nanoemulsiot tarjoavat useita etuja tavanomaisiin emulsioihin verrattuna, mukaan lukien ainutlaatuiset toiminnalliset ominaisuudet, suurempi stabiilisuus, läpinäkyvyys jne.
Ultrasonication kilpailee perinteisten emulgointitekniikoiden kanssa, varsinkin kun kyse on nanoemulsioiden muodostumisesta. Tämä johtuu ultraäänen erittäin tehokkaasta ja energiaintensiivisestä toimintaperiaatteesta.
Alla oleva video näyttää öljyn (keltainen) emulgointiprosessin vedeksi (punainen) käyttämällä UP400S-laboratorioultraäänilaitetta.
Ultraääniemulgoinnin toimintaperiaate
Akustinen kavitaatio: ultraääniemulgoinnin ja nanoemulgoinnin liikkeellepaneva voima
Ultraääniemulgointi perustuu akustisen kavitaation voimakkaisiin vaikutuksiin. Kavitaatio on ilmiö, joka syntyy, kun voimakkaat ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi. Tämän prosessin aikana muodostuu mikroskooppisen pieniä kuplia, jotka kasvavat ja romahtavat sitten voimakkaasti. Näiden kuplien implosiivinen romahtaminen luo äärimmäisiä paikallisia olosuhteita, kuten voimakkaita paine- ja lämpötilagradientteja, suuria leikkausvoimia, paineaaltoja ja nestemäisiä mikrosuihkuja. Nämä voimat hajottavat tehokkaasti suuret hiukkaset, pisarat ja agglomeraatit paljon pienemmiksi rakenteiksi.
Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy akustinen kavitaatio, jota aiheuttaa nestetäytteisessä lasipylväässä toimiva UIP1000hdT-ultraäänikäsittelylaite (1000 W).
Miten akustinen kavitaatio parantaa emulgointia
Sekä emulgoinnissa että nanoemulgoinnissa kavitaation voimakkuus on keskeinen tekijä pisaran koon määrittämisessä. Kun kavitaatiokuplat romahtavat, syntyvät leikkausvoimat hajottavat suuret pisarat yhä pienemmiksi. Samalla paikalliset paine- ja lämpötilamuutokset edistävät uusien pisaroiden muodostumista ja auttavat samalla stabiloimaan emulsiota.
Tämän pisaroiden hajottamisen ja stabiloinnin yhdistelmän ansiosta ultraäänitekniikalla voidaan valmistaa erittäin tasalaatuisia emulsioita, joiden pisarakoon jakautuma on poikkeuksellisen hieno.
(a) perinteisellä homogenisointimenetelmällä ja (b) ultraäänihomogenisoinnilla (UP400S-laitteella) valmistettujen vesi-oliiviöljy-emulsioiden pisaran kokojakauma, kun emulsioissa on MD:tä, WPI:tä ja niiden seosta, kuiva-ainepitoisuus on 40 % ja öljypitoisuus 9 % (paino-paino). Ultraäänihomogenisointi tuottaa huomattavasti pienempiä pisaroita, vähemmän kerääntymistä ja paremman emulsion kokonaisvakauden.
(tutkimus ja kaaviot: Zungur et ai., 2015)
Ultraäänianturit tehokkaaseen emulgointiin
Hielscher tarjoaa laajan valikoiman koetintyyppisiä ultraäänilaitteita ja lisävarusteita nesteiden tehokkaaseen emulgointiin ja dispergointiin erä- ja läpivirtaustilassa.
Järjestelmät, jotka koostuvat useista ultraääniprosessoreista, joista kukin on enintään 16 000 wattia, tarjoavat kapasiteetin, jota tarvitaan tämän laboratoriosovelluksen kääntämiseksi tehokkaaksi tuotantomenetelmäksi hienojakoisten emulsioiden saamiseksi jatkuvassa virtauksessa tai erässä – saavuttaa tuloksia, jotka ovat verrattavissa nykypäivän parhaisiin saatavilla oleviin korkeapainehomogenisaattoreihin, kuten uuteen aukkoventtiiliin. Tämän jatkuvan emulgoinnin korkean tehokkuuden lisäksi Hielscherin ultraäänilaitteet vaativat erittäin vähän huoltoa ja ovat erittäin helppokäyttöisiä ja puhdistettavia. Ultraääni todella tukee puhdistusta ja huuhtelua. Ultraääniteho on säädettävissä ja se voidaan mukauttaa tiettyihin tuotteisiin ja emulgointivaatimuksiin. Saatavilla on myös erityisiä virtauskennoreaktoreita, jotka täyttävät edistyneet CIP- (clean-in-place) ja SIP (sterilointi-in-place) -vaatimukset.
MultiSonoReactor MSR-4 on teollinen inline-homogenointireaktori, joka soveltuu (nano)emulgointiprosesseihin, joilla on suuri läpäisykyky.
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0.5 - 1.5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| 15-150L | 3 - 15L / min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Monivaiheinen kavitaattori (MPC48)
MultiPhaseCavitator on tehokas lisälaite, joka on yhteensopiva Hielscherin ultraäänivirtauskenno-reaktoreiden kanssa: MPC48-lisäosan avulla dispergoitu faasi ruiskutetaan 48 kanyylin kautta ohuina nestesäikeinä ultraäänen vaikutusalueelle, jossa dispergoitu faasi ja jatkuva faasi sekoittuvat pieniksi pisaroiksi nanoemulsiota muodostaen.
Tutustu siihen, miten MultiPhaseCavitator parantaa emulgointia!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Termin määritelmä “emulsio”
Emulsio on kahden tai useamman sekoittumattoman nesteen, kuten öljyn ja veden, seos.
Emulsiot voivat olla joko öljyä vedessä (jossa öljypisarat dispergoituvat veteen) tai vettä öljyssä (jossa vesipisarat dispergoituvat öljyyn). Emulsioita käytetään monissa sovelluksissa, mukaan lukien elintarvikkeet (kuten salaatinkastikkeet ja majoneesi), kosmetiikka (kuten voiteet ja voiteet) ja lääkkeet (kuten rokotteet).
Emulgointiaine toimii vähentämällä pintajännitystä kahden sekoittumattoman aineen (kuten öljyn ja veden) välillä emulsiossa. Tämä vähentää näiden kahden aineen taipumusta erottua ja sallii niiden muodostaa stabiilin seoksen.
Kuinka emulsio tehdään vakaaksi?
Emulsio tehdään stabiiliksi estämällä dispergoitua faasia (yhden nesteen pisaroita) sulautumasta yhteen ja erottumasta jatkuvasta faasista (ympäröivästä nesteestä). Emulsioiden stabiilisuuden saavuttamiseksi on otettava huomioon useita keskeisiä kohtia:
- Emulgointiaineet (pinta-aktiiviset aineet):
– Rooli: Emulgointiaineet ovat molekyylejä, joilla on sekä hydrofiiliset (vettä houkuttelevat) että hydrofobiset (vettä hylkivät) päät.
– Toiminta: Ne vähentävät kahden sekoittumattoman nesteen välistä pintajännitystä ja muodostavat suojakerroksen pisaroiden ympärille estäen niitä sulautumasta.
– Esimerkkejä: Lesitiini, polysorbaatit ja natriumstearoyylilaktyylilaatti. - Mekaaniset menetelmät:
Tehokas sekoitus: Käyttämällä leikkaavia sekoittimia tai homogenisaattoreita pisaroiden hajottamiseksi pienempiin kokoihin, mikä lisää pinta-alaa ja parantaa vakautta. Koetintyyppiset sonikaattorit ovat erinomainen ja erittäin luotettava menetelmä, jossa käytetään sonomekaanisia leikkausvoimia. Nämä ultraäänileikkausvoimat hajottavat suuret pisarat pieniksi pisaroiksi ja sekoittavat sekoittumattomat faasit stabiiliksi emulsioksi. - Viskositeetin muuttajat:
Sakeuttamisaineet: Jatkuvan faasin viskositeetin lisääminen voi hidastaa pisaroiden liikkumista ja vähentää yhteensulautumisen todennäköisyyttä.
– Esimerkkejä: Ksantaanikumi, guarkumi ja karboksimetyyliselluloosa. - Stabiloivat aineet:
– Polymeerit: Polymeerit voivat tarjota sterisen stabiloinnin muodostamalla paksun kerroksen pisaroiden ympärille.
– Esimerkkejä: Pektiini, gelatiini ja tietyt proteiinit. - Sähköstaattinen stabilointi:
– Syyte: Jotkut emulgointiaineet antavat sähkövarauksen pisaroiden pinnalle, jolloin ne hylkivät toisiaan ja vähentävät siten yhteensulautumista.
– Esimerkkejä: Natriumkaseinaatti ja soijalesitiini. - Lämpötilan säätö:
– Jäähdytys: Lämpötilan alentaminen voi lisätä jatkuvan faasin viskositeettia ja vähentää pisaroiden kineettistä energiaa estäen yhteensulautumisen.
– Faasien erottamisen välttäminen: Varmista, että lämpötila pysyy alueella, joka estää komponenttien erottumisen. - Lisäaineita:
– Antioksidantit: Hapettumisen estäminen voi auttaa ylläpitämään emulgointiaineen ja muiden komponenttien eheyttä.
– Kelatoivat aineet: Sitovat metalli-ionit, jotka muuten saattaisivat horjuttaa emulsiota.
Oikealla emulgointitekniikalla emulsioista voidaan tehdä stabiileja, jolloin seos pysyy homogeenisena ja säilyttää halutut ominaisuutensa ajan myötä.
Stabiloivat emulgointiaineet
Yleensä emulsiot vaativat stabilointia emulgointiaineella tai pinta-aktiivisella aineella. Emulgointiaineet ovat amfifiilisiä – ne houkuttelevat sekä vettä että rasva-aineita. Tämä tarkoittaa, että niillä on hydrofiilisiä (vettä rakastavia) ja hydrofobisia (öljyä rakastavia) ominaisuuksia, joiden avulla ne voivat olla vuorovaikutuksessa emulsion öljy- ja vesifaasien kanssa. Emulgointimolekyylin hydrofiilinen osa kiinnittyy vesimolekyyleihin, kun taas hydrofobinen osa kiinnittyy öljymolekyyleihin.
Ympäröimällä öljypisarat emulgointimolekyyleillä emulgointiaine luo pisaroiden ympärille suojakerroksen, joka estää niitä joutumasta kosketuksiin toistensa kanssa ja sulautumasta yhteen muodostaen suurempia pisaroita. Tämä auttaa pitämään emulsion stabiilina ja estää erottumisen.
Koska pisaroiden yhteensulautuminen häiriön jälkeen vaikuttaa lopulliseen pisarakokojakaumaan, käytetään tehokkaasti stabiloivia emulgointiaineita pitämään lopullinen pisarakokojakauma tasolla, joka on yhtä suuri kuin jakauma välittömästi pisaran häiriön jälkeen ultraäänidispergointivyöhykkeellä. Stabilointiaineet itse asiassa parantavat pisaroiden häiriöitä vakioenergiatiheydellä.
Esimerkkejä yleisesti käytetyistä emulgointiaineista ovat lesitiini (jota löytyy munankeltuaisista ja soijapavuista), mono- ja diglyseridit, polysorbaatti 80 ja natriumstearoyylilaktyyliaatti.
Miniemulsiot, jotka voidaan luoda tehokkaasti ultraäänellä, parantavat kemiallisia reaktioita. Makroemulsiopolymerointi (a) vs. miniemulsiopolymerointi (b) [Schork et ai., 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.