Emulgointi ultraäänikavitaatiolla
Monet välituotteet ja kuluttajatuotteet – kuten kosmetiikka, ihovoiteet, lääkevoiteet, lakat, maalit, voiteluaineet ja polttoaineet – perustuvat kokonaan tai osittain emulsioihin.
Hielscher valmistaa maailman suurimmat teolliset nesteiden ultraääniprosessorit suurten tilavuusvirtojen tehokkaaseen emulgointiin tuotantolaitoksissa.
Miten ultraääniemulgointi toimii
Laboratoriosovellukset: Laboratorioissa ultraäänen emulgointiteho on tunnettu ja sitä on hyödynnetty jo pitkään ultraäänihomogenointiin ja -emulgointiin liittyvien monien etujen vuoksi.
Tekniikka
Luotettava ultraääniemulgointi perustuu ultraäänianturien eli sonotrodien käyttöön. Prosessi toimii seuraavasti:
- Ultraäänen kytkeminen: Ultraäänianturin kautta nesteisiin kytketään voimakasta ultraääntä, joka synnyttää akustista kavitaatiota.
- Kavitaation vaikutus: Ultraääni- eli akustinen kavitaatio synnyttää voimakkaita leikkausvoimia, jotka tuottavat tarvittavan energian suurten pisaroiden hajottamiseen nanokokoisiksi pisaroiksi.
- Emulsion muodostuminen: Kaksi tai useampia nestefaaseja sekoitetaan tasaiseksi submikroni- tai nanoemulsioksi.
Skaalaus teolliseen mittakaavaan läpivirtaustekniikalla: Ultraäänivirtauskennojen käyttö mahdollistaa lineaarisen skaalauksen nanoemulsioiden teolliseen tuotantoon, jossa suuria tilavuusvirtoja käsitellään jatkuvassa läpivirtauksessa.
Kirkkaan nanoemulsion valmistus ultraäänellä käyttäen ultraäänilaitetta UP400ST.
Ultraääniemulgoinnin edut
Anturityyppisellä ultraäänilaitteella tehtävä ultraääniemulgointi tarjoaa useita etuja muihin emulgointitekniikoihin verrattuna:
- Parempi emulsion stabiilius: Ultraääniemulgointi tuottaa pienempiä pisaroita ja tasaisemman pisarajakauman, mikä parantaa emulsion stabiiliutta ja pidentää säilyvyysaikaa. Submikroni- ja nanokokoisia pisaroita voidaan tuottaa luotettavasti teho-ultraäänellä.
- Energiatehokkuus: Ultraääniemulgointi vaatii vähemmän energiaa kuin muut emulgointimenetelmät, mikä tekee siitä energiatehokkaamman prosessin.
- Skaalattavuus: Ultraääniemulgointi voidaan helposti skaalata suurempaan tai pienempään mittakaavaan tarvittavan tilavuuden mukaan, joten se on monipuolinen prosessi sekä laboratorio- että teollisuussovelluksiin.
- Ajansäästö: Ultraääniemulgointi voi olla hyvin nopea prosessi, jossa emulsiot muodostuvat sekunneissa tai minuuteissa nesteistä, tilavuudesta ja laitteistosta riippuen.
- Pienempi pinta-aktiivisten aineiden tarve: Ultraääniemulgointi voi vähentää pinta-aktiivisten aineiden tarvetta, vaikka niitä tarvitaan usein emulsioiden stabilointiin. Pisarako’on pienentyessä hiukkasen pinta-ala kuitenkin kasvaa, ja pinta-aktiivisen aineen on peitettävä suurempi pinta-ala. Ultraäänikäsittely on yhteensopiva lähes kaikenlaisten pinta-aktiivisten aineiden kanssa, mukaan lukien vaihtoehtoiset ja uudenlaiset emulgointiaineet.
- Minimaalinen ja hallittava lämmön muodostuminen: Ultraääniemulgointi on ei-terminen prosessi, ja lämmön muodostuminen käsittelyn aikana voidaan välttää tai sitä voidaan vähentää hieman. Näin herkkien yhdisteiden tai ainesosien lämpöhajoamisen riski pienenee.
Anturityyppisellä ultraäänilaitteella tehtävän ultraääniemulgoinnin edut tekevät siitä erinomaisen valinnan emulgointiin monilla aloilla, kuten elintarvike- ja juomateollisuudessa, lääketeollisuudessa, kosmetiikassa sekä hienokemikaalien ja polttoaineiden valmistuksessa.
Lue lisää majoneesin ultraääniemulgoinnista!
Lue lisää parafiinivahaemulsioiden valmistuksesta ultraäänikäsittelyllä!
Lue lisää ultraäänellä valmistetuista vesi dieselissä -emulsioista!
DLS-mittaus osoittaa ultraäänellä tuotetun ruusuöljy vedessä -emulsion tasaisen pisarakokojakauman.
Mikä on emulsio?Emulsiot ovat kahden tai useamman toisiinsa sekoittumattoman nesteen dispersioita. Erittäin voimakas ultraääni tuottaa tehon, jota tarvitaan nestefaasin (dispergoitunut faasi) dispergointiin pieninä pisaroina toiseen faasiin (jatkuva faasi). Dispergointivyöhykkeessä luhistuvat kavitaatiokuplat synnyttävät voimakkaita iskuaaltoja ympäröivään nesteeseen ja saavat aikaan nestesuihkuja, joissa nesteen virtausnopeus on suuri.
Nanoemulsiot – tehokas sovellus ultraäänilaitteille
Nanoemulsiot ovat emulsioita, joiden pisarat ovat tyypillisesti kooltaan alle 100 nanometriä. Nanoemulsiot tarjoavat useita etuja perinteisiin emulsioihin verrattuna, kuten ainutlaatuisia toiminnallisia ominaisuuksia, paremman stabiiliuden, läpinäkyvyyden jne.
Ultraäänikäsittely päihittää perinteiset emulgointitekniikat erityisesti nanoemulsioiden muodostuksessa. Tämä johtuu ultraäänen erittäin tehokkaasta ja energiaintensiivisestä toimintaperiaatteesta.
Alla oleva video näyttää öljyn (keltainen) emulgoinnin veteen (punainen) käyttäen laboratorioultraäänilaitetta UP400S.
Ultraääniemulgoinnin toimintaperiaate
Akustinen kavitaatio: ultraääniemulgoinnin ja -nanoemulgoinnin käyttövoima
Ultraääniemulgointi perustuu akustisen kavitaation voimakkaisiin vaikutuksiin. Akustinen kavitaatio on ilmiö, joka syntyy voimakkaiden ultraääniaaltojen kulkiessa nesteen läpi. Prosessin aikana muodostuu mikroskooppisia kuplia, jotka kasvavat ja sitten luhistuvat rajusti. Kuplien luhistuminen synnyttää äärimmäisiä paikallisia olosuhteita, kuten voimakkaita paine- ja lämpötilagradientteja, suuria leikkausvoimia, iskuaaltoja ja nesteen mikrosuihkuja. Nämä voimat hajottavat tehokkaasti suuret hiukkaset, pisarat ja agglomeraatit paljon pienemmiksi rakenteiksi.
Vasemmalla oleva kuva havainnollistaa akustista kavitaatiota, jonka nesteellä täytetyssä lasikolonnissa toimiva ultraääniprosessori UIP1000hdT (1000 W) synnyttää.
Miten akustinen kavitaatio parantaa emulgointia
Sekä emulgoinnissa että nanoemulgoinnissa kavitaation voimakkuus on keskeinen pisarako’on määräävä tekijä. Kavitaatiokuplien luhistuessa syntyvät leikkausvoimat hajottavat suuremmat pisarat yhä pienemmiksi. Samalla paikalliset paineen ja lämpötilan muutokset edistävät uusien pisaroiden muodostumista ja auttavat stabiloimaan emulsiota.
Tämä pisaroiden hajotuksen ja stabiloinnin yhdistelmä mahdollistaa ultraäänitekniikalla erittäin tasaisten emulsioiden tuottamisen, joiden pisarakokojakaumat ovat poikkeuksellisen hienojakoisia.
Vesi–oliiviöljyemulsioiden pisarakokojakauma. Emulsiot valmistettiin (a) perinteisellä homogenointimenetelmällä ja (b) ultraäänihomogenoinnilla (käyttäen laitetta UP400S). Valmistuksessa käytettiin seuraavia: MD, WPI ja niiden seos. Kuiva-ainepitoisuus oli 40% ja öljypitoisuus 9% (w/w). Ultraääniemulgointi tuottaa merkittävästi pienempiä pisaroita, vähentää kermoittumista ja parantaa emulsion kokonaisstabiiliutta.
(tutkimus ja kuvaajat: Zungur et al., 2015)
Ultraäänianturit tehokkaaseen emulgointiin
Hielscher tarjoaa laajan valikoiman anturityyppisiä ultraäänilaitteita ja lisävarusteita nesteiden tehokkaaseen emulgointiin ja dispergointiin erä- ja läpivirtauskäsittelyssä.
Järjestelmät, jotka koostuvat useista ultraääniprosessoreista, joiden kunkin teho on enintään 16 000 wattia, tarjoavat tarvittavan kapasiteetin tämän laboratoriosovelluksen muuttamiseksi tehokkaaksi tuotantomenetelmäksi hienojakoisten emulsioiden valmistukseen jatkuvassa virtauksessa tai erissä – saavuttaen tuloksia, jotka ovat verrattavissa nykyisin saatavilla olevien parhaiden korkeapainehomogenisaattorien, kuten uuden aukkoventtiilin, tuloksiin. Tämän jatkuvan emulgoinnin korkean tehokkuuden lisäksi Hielscherin ultraäänilaitteet vaativat hyvin vähän huoltoa ja ovat erittäin helppoja käyttää ja puhdistaa. Ultraääni todella tukee puhdistusta ja huuhtelua. Ultraääniteho on säädettävissä, ja se voidaan mukauttaa tiettyihin tuotteisiin ja emulgointivaatimuksiin. Saatavilla on myös erityisiä virtauskennoreaktoreita, jotka täyttävät vaativat CIP- (clean-in-place, paikallaan puhdistus) ja SIP-vaatimukset (sterilize-in-place, paikallaan sterilointi).
MultiSonoReactor MSR-4 on teollinen linjaan asennettava homogenointireaktori, joka soveltuu suuren käsittelykapasiteetin (nano-)emulgointiprosesseihin.
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator on tehokas lisävaruste, joka on yhteensopiva Hielscherin ultraäänivirtauskennoreaktorien kanssa: MPC48-sisäosan avulla dispergoitunut faasi injektoidaan 48 kanyylin kautta ohuina nestejuovina ultraäänen kuumaan vyöhykkeeseen, jossa dispergoitunut faasi ja jatkuva faasi sekoitetaan hyvin pieninä pisaroina nanoemulsioksi.
Tutustu siihen, miten MultiPhaseCavitator parantaa emulgointia!
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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
Hyödyllistä tietoa
Emulsio-käsitteen määritelmä
Emulsio on kahden tai useamman toisiinsa sekoittumattoman nesteen, kuten öljyn ja veden, seos.
Emulsiot voivat olla joko öljy vedessä -emulsioita (joissa öljypisarat ovat dispergoituneina veteen) tai vesi öljyssä -emulsioita (joissa vesipisarat ovat dispergoituneina öljyyn). Emulsioita käytetään monissa sovelluksissa, kuten elintarvikkeissa (esimerkiksi salaattikastikkeissa ja majoneesissa), kosmetiikassa (esimerkiksi ihovoiteissa ja voiteissa) sekä lääkevalmisteissa (esimerkiksi rokotteissa).
Emulgointiaine toimii vähentämällä emulsion kahden toisiinsa sekoittumattoman aineen (kuten öljyn ja veden) välistä pintajännitystä. Tämä vähentää näiden kahden aineen taipumusta erottua toisistaan ja mahdollistaa stabiilin seoksen muodostumisen.
Miten emulsiosta tehdään stabiili?
Emulsiosta tehdään stabiili estämällä dispergoituneen faasin (yhden nesteen pisaroiden) yhteensulautuminen ja erottuminen jatkuvasta faasista (ympäröivästä nesteestä). Emulsioiden stabiiliuden saavuttamiseksi on otettava huomioon useita keskeisiä seikkoja:
- Emulgointiaineet (pinta-aktiiviset aineet):
– Tehtävä: Emulgointiaineet ovat molekyylejä, joilla on sekä hydrofiilinen (vettä puoleensa vetävä) että hydrofobinen (vettä hylkivä) pää.
– Vaikutus: Ne vähentävät kahden toisiinsa sekoittumattoman nesteen välistä pintajännitystä ja muodostavat pisaroiden ympärille suojakerroksen, joka estää niitä sulautumasta yhteen.
– Esimerkkejä: Lesitiini, polysorbaatit ja natriumstearoyylilaktylaatti. - Mekaaniset menetelmät:
Tehokas sekoitus: Suuria leikkausvoimia tuottavien sekoittimien tai homogenisaattorien käyttö pisaroiden hajottamiseen pienemmiksi kasvattaa pinta-alaa ja parantaa stabiiliutta. Anturityyppiset ultraäänilaitteet tarjoavat erinomaisen ja erittäin luotettavan menetelmän, jossa hyödynnetään sonomekaanisia leikkausvoimia. Nämä ultraäänen synnyttämät leikkausvoimat hajottavat suuret pisarat hyvin pieniksi pisaroiksi ja sekoittavat toisiinsa sekoittumattomat faasit stabiiliksi emulsioksi. - Viskositeetin muokkausaineet:
Sakeuttamisaineet: Jatkuvan faasin viskositeetin kasvattaminen voi hidastaa pisaroiden liikettä ja vähentää niiden yhteensulautumisen todennäköisyyttä.
– Esimerkkejä: Ksantaanikumi, guarkumi ja karboksimetyyliselluloosa. - Stabilointiaineet:
– Polymeerit: Polymeerit voivat tuottaa steerisen stabiloinnin muodostamalla paksun kerroksen pisaroiden ympärille.
– Esimerkkejä: Pektiini, gelatiini ja tietyt proteiinit. - Sähköstaattinen stabilointi:
– Varaus: Jotkin emulgointiaineet antavat pisaroiden pinnalle sähkövarauksen, joka saa ne hylkimään toisiaan ja vähentää siten yhteensulautumista.
– Esimerkkejä: Natriumkaseinaatti ja soijalesitiini. - Lämpötilan hallinta:
– Jäähdytys: Lämpötilan alentaminen voi kasvattaa jatkuvan faasin viskositeettia ja vähentää pisaroiden liike-energiaa, mikä estää yhteensulautumista.
– Faasien erottumisen välttäminen: Varmistetaan, että lämpötila pysyy alueella, joka estää komponenttien erottumisen. - Lisäaineet:
– Antioksidantit: Hapettumisen estäminen voi auttaa säilyttämään emulgointiaineen ja muiden komponenttien eheyden.
– Kelatoivat aineet: Sitovat metalli-ioneja, jotka saattaisivat muuten heikentää emulsion stabiiliutta.
Oikeaa emulgointitekniikkaa käyttämällä emulsioista voidaan tehdä stabiileja, mikä varmistaa, että seos pysyy homogeenisena ja säilyttää halutut ominaisuutensa ajan mittaan.
Stabiloivat emulgointiaineet
Yleensä emulsiot edellyttävät stabilointia emulgointiaineella tai pinta-aktiivisella aineella. Emulgointiaineet ovat amfifiilisiä – ne vetävät puoleensa sekä vettä että rasva-aineita. Tämä tarkoittaa, että niillä on hydrofiilisiä (vesihakuisia) ja hydrofobisia (öljyhakuisia) ominaisuuksia, joiden ansiosta ne voivat olla vuorovaikutuksessa emulsion sekä öljy- että vesifaasin kanssa. Emulgointiaineen molekyylin hydrofiilinen osa kiinnittyy vesimolekyyleihin, kun taas hydrofobinen osa kiinnittyy öljymolekyyleihin.
Ympäröimällä öljypisarat emulgointiaineen molekyyleillä emulgointiaine muodostaa pisaroiden ympärille suojakerroksen, joka estää niitä joutumasta kosketuksiin toistensa kanssa ja sulautumasta yhteen suuremmiksi pisaroiksi. Tämä auttaa pitämään emulsion stabiilina ja estää erottumista.
Koska pisaroiden yhteensulautuminen hajotuksen jälkeen vaikuttaa lopulliseen pisarakokojakaumaan, tehokkaasti stabiloivia emulgointiaineita käytetään pitämään lopullinen pisarakokojakauma samana kuin välittömästi pisaroiden hajotuksen jälkeen ultraäänen dispergointivyöhykkeessä. Stabilointiaineet itse asiassa parantavat pisaroiden hajotusta energiatiheyden pysyessä vakiona.
Esimerkkejä yleisesti käytetyistä emulgointiaineista ovat lesitiini (jota esiintyy munankeltuaisissa ja soijapavuissa), mono- ja diglyseridit, polysorbaatti 80 ja natriumstearoyylilaktylaatti.
Miniemulsiot, joita voidaan tuottaa tehokkaasti ultraäänikäsittelyllä, tehostavat kemiallisia reaktioita. Makroemulsiopolymeroinnin (a) ja miniemulsiopolymeroinnin (b) vertailu [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoluokkaan asti.