Émulsifier par cavitation ultrasonique

Une large gamme de produits intermédiaires et de consommation, tels que les cosmétiques et les lotions pour la peau, les pommades pharmaceutiques, les vernis, les peintures, les lubrifiants et les carburants sont basés entièrement ou en partie sur des émulsions. Hielscher fabrique les plus grands processeurs industriels de liquides à ultrasons au monde pour l'émulsification efficace de flux de grand volume dans les usines de production.

ultrasons émulsification

En laboratoire, le pouvoir d'émulsification des ultrasons est connu et appliqué depuis longtemps en raison des divers avantages liés à l'homogénéisation et à l'émulsification par ultrasons. Une émulsification ultrasonique fiable repose sur l'utilisation de sondes ultrasoniques, appelées sonotrodes. Par l'intermédiaire de la sonde ultrasonique, des ultrasons de haute intensité sont couplés aux liquides et créent une cavitation acoustique. La cavitation ultrasonique ou acoustique génère des forces de cisaillement élevées, qui fournissent l'énergie nécessaire pour désagréger de grosses gouttelettes jusqu'à des gouttelettes de taille nanométrique. Ainsi, deux phases liquides ou plus sont mélangées en une émulsion submicronique ou nanométrique uniforme.

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Les ultrasons sont fiables et efficaces pour produire des émulsions de taille submicronique et nanométrique.

Les ultrasons sont fiables et efficaces pour produire des émulsions de taille submicronique et nanométrique.

Avantages de l'émulsification par ultrasons

L'émulsification par ultrasons à l'aide d'un appareil à ultrasons à sonde présente plusieurs avantages par rapport à d'autres techniques d'émulsification :

  1. Amélioration de la stabilité de l'émulsion : L'émulsification par ultrasons permet d'obtenir des gouttelettes plus petites et une distribution plus uniforme, ce qui améliore la stabilité de l'émulsion et prolonge la durée de conservation. Des gouttelettes de taille submicronique et nanométrique peuvent être produites de manière fiable à l'aide d'ultrasons de puissance.
  2. Efficacité énergétique : L'émulsification par ultrasons nécessite moins d'énergie que les autres méthodes d'émulsification, ce qui en fait un processus plus efficace sur le plan énergétique.
  3. Évolutivité : L'émulsification par ultrasons peut être facilement augmentée ou réduite en fonction du volume requis, ce qui en fait un processus polyvalent pour les applications industrielles et de laboratoire.
  4. Gain de temps : L'émulsification par ultrasons peut être un processus très rapide, les émulsions se formant en quelques secondes ou minutes, en fonction des liquides, du volume et de l'équipement.
  5. Réduction de la nécessité d'utiliser des agents tensioactifs : L'émulsification ultrasonique peut réduire le besoin de tensioactifs, qui sont souvent nécessaires pour stabiliser les émulsions. Cependant, avec une taille de gouttelette réduite, la surface de la particule est augmentée et une plus grande surface doit être couverte par un agent tensioactif. L'ultrasonication est compatible avec presque tous les types de tensioactifs, y compris les émulsifiants alternatifs et nouveaux.
  6. Génération de chaleur minimale et contrôlable : L'émulsification ultrasonique est un processus non thermique et la production de chaleur pendant le traitement peut être évitée ou réduite à un faible degré. Le risque de dégradation thermique des composés ou ingrédients sensibles est donc réduit.

Dans l'ensemble, les avantages de l'émulsification par ultrasons à l'aide d'un appareil à ultrasons à sonde en font un choix populaire pour l'émulsification dans divers domaines, notamment les aliments et les boissons, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques, les produits chimiques fins et les carburants.

Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

Préparation par ultrasons d'une émulsion huile dans l'eau (eau rouge / huile jaune). Quelques secondes de sonication transforment les phases eau/huile séparées en une fine émulsion.

 
 
La vidéo ci-dessous montre le processus d'émulsification de l'huile (jaune) dans l'eau (rouge) à l'aide de l'appareil à ultrasons de laboratoire UP400S.

Cette vidéo montre l'ultrasonateur Hielscher UP400S préparant une émulsion huile dans l'eau de taille nanométrique.

Émulsification du pétrole dans l'eau à l'aide de l'UP400S

Vignette vidéo

 

L'ultrasonication est une technique efficace d'émulsification et de nano-émulsification.Qu'est-ce qu'une émulsion ?
Les emulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs liquides non miscibles. L'ultrason très intensif fournit la puissance nécessaire pour disperser une phase liquide (phase dispersée) dans de petites gouttelettes dans une seconde phase (phase continue). Dans la zone de dispersion, les bulles de cavitation implosives provoquent des ondes de choc intenses dans le liquide environnant et entraînent la formation de jets de liquide ayant une vitesse de liquide élevée.
Les mini-mulsions, qui peuvent être créées efficacement par ultrasons, améliorent les réactions de polymérisation.

Les mini-mulsions, qui peuvent être créées efficacement par ultrasons, favorisent les réactions chimiques. Polymérisation en macroémulsion (a) et polymérisation en miniémulsion (b) [Schork et al. 2005 : 136].

Nano-émulsions – Une application de puissance pour les ultrasons

Les nanoémulsions sont des émulsions dont les gouttelettes ont généralement une taille inférieure à 100 nanomètres. Les nanoémulsions offrent plusieurs avantages par rapport aux émulsions conventionnelles, notamment des propriétés fonctionnelles uniques, une plus grande stabilité, la transparence, etc.
L'ultrasonication surpasse les technologies d'émulsification traditionnelles, en particulier lorsqu'il s'agit de former des nanoémulsions. Cette supériorité est due au principe de fonctionnement très efficace et très énergivore des ultrasons.

Principe de fonctionnement de l'émulsification par ultrasons

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicatorLes procédés d'émulsification par ultrasons utilisent les forces de la cavitation acoustique. La cavitation acoustique désigne le phénomène de formation, de croissance et d'effondrement implosif de petites bulles dans un milieu liquide soumis à des ondes ultrasonores de haute intensité. L'implosion de ces bulles génère d'intenses gradients locaux de pression et de température, qui peuvent créer des forces de cisaillement élevées, des ondes de choc et des micro-jets susceptibles de décomposer les grosses particules et les agglomérats en particules plus petites. L'image de gauche montre la cavitation ultrasonique générée au niveau de la sonde de l'ultrasonificateur UIP1000hdT (1000 watts) dans une colonne de verre remplie de liquide.
Dans l'émulsification et la nano-émulsification, l'intensité de la cavitation acoustique joue un rôle essentiel dans la réduction de la taille des gouttelettes dans l'émulsion. L'effondrement implosif des bulles de cavitation peut créer de fortes forces de cisaillement qui divisent les grosses gouttelettes en gouttelettes plus petites. En outre, les gradients locaux de pression et de température générés par la cavitation peuvent également favoriser la formation de nouvelles gouttelettes et stabiliser l'émulsion.
L'aspect unique de la cavitation acoustique est sa capacité à fournir un apport d'énergie localisé et intense au milieu liquide, sans nécessiter de contraintes mécaniques ou thermiques élevées. Cela en fait une technique intéressante pour la nano-émulsification, car elle permet de réduire l'apport d'énergie nécessaire au processus d'émulsification tout en obtenant des gouttelettes de plus petite taille et une distribution plus étroite de la taille des gouttelettes.
Grâce à ces forces ultrasoniques contrôlables avec précision, la cavitation acoustique est un outil puissant pour la nano-émulsification. Sa capacité à générer un apport d'énergie localisé et intense permet de décomposer de grosses gouttelettes en gouttelettes de taille submicronique et nanométrique avec une très grande efficacité.

Émulsion eau-huile produite par ultrasons (Hielscher Ultrasonics)Les études à l'huile dans l'eau (phase aqueuse) et de l'eau dans des émulsions huile (phase huileuse) ont montré que la corrélation entre la densité d'énergie et la taille des gouttelettes (par exemple le diamètre de Sauter). Il y a une nette tendance plus petite taille des gouttelettes à augmenter la densité d'énergie (cliquez à droite graphique). À des niveaux de densité énergétique appropriés, les ultrasons permettent d'obtenir facilement et de manière fiable des tailles moyennes de gouttelettes de l'ordre du nanomètre.

Sondes ultrasoniques pour une émulsification efficace

Hielscher propose une large gamme d'ultrasons à sonde et d'accessoires pour l'émulsification et la dispersion efficaces des liquides en mode batch et flow-through.
Les systèmes composés de plusieurs processeurs ultrasoniques d'une puissance allant jusqu'à 16 000 watts chacun offrent la capacité nécessaire pour transformer cette application de laboratoire en une méthode de production efficace permettant d'obtenir des émulsions finement dispersées en flux continu ou par lots. – obtenir des résultats comparables à celle des meilleurs homogénéisateur à haute pression d'aujourd'hui disponibles, telles que la nouvelle vanne à orifice. En plus de cette grande efficacité dans l'émulsification continue, les appareils à ultrasons Hielscher nécessitent très peu d'entretien et sont très faciles à utiliser et à nettoyer. L'échographie ne supporte effectivement le nettoyage et le rinçage. La puissance ultrasonore est réglable et peut être adaptée aux produits et aux exigences particulières d'émulsification. réacteurs de cellule d'écoulement spéciaux répondant aux exigences avancées CIP (nettoyage en place) et SIP (stérilisation en place) sont également disponibles.

Homogénéisateur industriel à ultrasons pour l'émulsification efficace de l'huile et de l'eau. L'ultrasonication est très efficace pour la production de nanoémulsions stables à long terme.

Le MultiSonoReactor MSR-4 est un réacteur industriel d'homogénéisation en ligne adapté aux processus de (nano-)émulsification à haut débit.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
00,5 à 1,5 ml n / a. VialTweeter
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
15 à 150L 3 à 15L/min UIP6000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous pour demander des informations supplémentaires sur les émulsifiants à ultrasons, leurs applications et leurs prix. Nous nous ferons un plaisir de discuter avec vous de votre processus d'émulsification et de vous proposer un système ultrasonique répondant à vos exigences !









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Cette vidéo montre le processeur ultrasonique UP400S de Hielscher préparant une émulsion huile végétale dans l'eau de taille nanométrique.

Émulsification d'huile végétale dans l'eau à l'aide de l'UP400S

Vignette vidéo

Les homogénéisateurs ultrasoniques à haut cisaillement sont utilisés en laboratoire, sur table, dans le cadre de projets pilotes et dans l'industrie.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.



Littérature / Références

  • 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.
  • Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
  • F. Joseph Schork; Yingwu Luo; Wilfred Smulders; James P. Russum; Alessandro Butté; Kevin Fontenot (2005): Miniemulsion Polymerization. Adv Polym Sci (2005) 175: 129–255.

Qu'il faut savoir

Définition du terme “Émulsion”

Une émulsion est un mélange de deux ou plusieurs liquides non miscibles, comme l'huile et l'eau.
Les émulsions peuvent être de type huile dans eau (où les gouttelettes d'huile sont dispersées dans l'eau) ou eau dans huile (où les gouttelettes d'eau sont dispersées dans l'huile). Les émulsions sont utilisées dans une variété d'applications, y compris les produits alimentaires (tels que les sauces à salade et la mayonnaise), les cosmétiques (tels que les lotions et les crèmes) et les produits pharmaceutiques (tels que les vaccins).
Un émulsifiant agit en réduisant la tension superficielle entre les deux substances non miscibles (telles que l'huile et l'eau) dans une émulsion. Cela réduit la tendance des deux substances à se séparer et leur permet de former un mélange stable.

Stabilisation des émulsifiants

En général, les émulsions doivent être stabilisées à l'aide d'un agent émulsifiant ou d'un surfactant. Les émulsifiants sont amphiphiles, c'est-à-dire qu'ils attirent à la fois l'eau et les substances grasses. Cela signifie qu'ils possèdent des propriétés hydrophiles (qui aiment l'eau) et hydrophobes (qui aiment l'huile), ce qui leur permet d'interagir à la fois avec la phase huileuse et la phase aqueuse de l'émulsion. La partie hydrophile de la molécule d'émulsifiant s'attache aux molécules d'eau, tandis que la partie hydrophobe s'attache aux molécules d'huile.
En entourant les gouttelettes d'huile de molécules émulsifiantes, l'émulsifiant crée une couche protectrice autour des gouttelettes qui les empêche d'entrer en contact les unes avec les autres et de coalescer (s'unir) pour former des gouttelettes plus grosses. L'émulsion reste ainsi stable et ne se sépare pas.
Étant donné que la coalescence des gouttelettes après la dislocation influence la distribution de la taille des gouttelettes finales, des émulsifiants stabilisants efficaces sont utilisés pour maintenir la distribution de la taille des gouttelettes finales à un niveau égal à la distribution immédiatement après la dislocation des gouttelettes dans la zone de dispersion ultrasonique. Les stabilisants permettent en fait d'améliorer la dislocation des gouttelettes à densité d'énergie constante.
Parmi les émulsifiants couramment utilisés, citons la lécithine (présente dans les jaunes d'œufs et les graines de soja), les mono- et diglycérides, le polysorbate 80 et le stéaroyl-lactylate de sodium.


Des ultrasons de haute performance ! La gamme de produits Hielscher couvre l'ensemble du spectre, depuis les ultrasons compacts de laboratoire jusqu'aux systèmes ultrasoniques industriels complets, en passant par les unités de paillasse.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.


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