תחלוב באמצעות קוויטציה אולטרסונית

מגוון רחב של מוצרי ביניים ומוצרי צריכה – כגון מוצרי קוסמטיקה, תחליבים לעור, משחות רפואיות, לכות, צבעים, חומרי סיכה ודלקים – מבוססים באופן מלא או חלקי על תחליבים.
Hielscher מייצרת את המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים לנוזלים הגדולים בעולם, לתחלוב יעיל של זרמים בנפח גדול במפעלי ייצור.

כיצד פועל תחלוב אולטרסוני

יישומים מעבדתיים: במעבדות, יכולת התחלוב של אולטרסאונד מוכרת ומיושמת זה זמן רב, בזכות היתרונות השונים של הומוגניזציה ותחלוב אולטרסוניים.

הטכנולוגיה

תחלוב אולטרסוני אמין מבוסס על שימוש בגשושים אולטרסוניים, המכונים גם סונוטרודות. התהליך פועל באופן הבא:

1. צימוד אולטרסאונד: באמצעות הגשוש האולטרסוני, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מצומד אל תוך נוזלים ויוצר קוויטציה אקוסטית.
2. השפעת הקוויטציה: קוויטציה אולטרסונית או אקוסטית יוצרת כוחות גזירה גבוהים, המספקים את האנרגיה הנדרשת לפירוק טיפות גדולות לטיפות בגודל ננומטרי.
3. יצירת תחליב: שתי פאזות נוזליות או יותר מעורבבות ליצירת תחליב אחיד בגודל טיפות תת מיקרוני או ננומטרי.

 
הגדלת קנה המידה לייצור תעשייתי באמצעות טכנולוגיית זרימה רציפה: שימוש בתאי זרימה אולטרסוניים מאפשר הגדלה ליניארית של קנה המידה לייצור תעשייתי של ננו תחליבים, תוך עיבוד זרמים בנפח גדול בזרימה רציפה.

היתרונות של תחלוב אולטרסוני

תחלוב אולטרסוני באמצעות מכשיר אולטרסוני בעל גשוש מציע מספר יתרונות על פני טכניקות תחלוב אחרות:

1. יציבות משופרת של התחליב: תחלוב אולטרסוני יוצר טיפות קטנות יותר והתפלגות טיפות אחידה יותר, והתוצאה היא יציבות משופרת של התחליב וחיי מדף ארוכים יותר. ניתן לייצר באופן אמין טיפות בגודל תת מיקרוני וננומטרי באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה.
2. יעילות אנרגטית: תחלוב אולטרסוני דורש פחות אנרגיה משיטות תחלוב אחרות, ולכן הוא תהליך יעיל יותר מבחינה אנרגטית.
3. יכולת שינוי קנה המידה: ניתן להגדיל או להקטין בקלות את קנה המידה של תחלוב אולטרסוני בהתאם לנפח הנדרש, ולכן זהו תהליך רב שימושי המתאים הן ליישומים מעבדתיים והן ליישומים תעשייתיים.
4. חיסכון בזמן: תחלוב אולטרסוני יכול להיות תהליך מהיר מאוד, שבו תחליבים נוצרים בתוך שניות עד דקות, בהתאם לנוזלים, לנפח ולציוד.
5. צורך מופחת בחומרים פעילי שטח: תחלוב אולטרסוני יכול להפחית את הצורך בחומרים פעילי שטח, הנדרשים לעיתים קרובות לייצוב תחליבים. עם זאת, כאשר גודל הטיפה קטן, שטח הפנים של החלקיק גדל ויש לכסות שטח גדול יותר בחומר פעיל שטח. סוניקציה מתאימה לשימוש עם כמעט כל סוג של חומר פעיל שטח, לרבות חומרים מתחלבים חלופיים וחדשניים.
6. יצירת חום מזערית וניתנת לבקרה: תחלוב אולטרסוני הוא תהליך שאינו תרמי, וניתן למנוע יצירת חום במהלך העיבוד או להפחית אותה במידה קטנה. כך פוחת הסיכון לפירוק תרמי של תרכובות או מרכיבים רגישים.

היתרונות של תחלוב אולטרסוני באמצעות מכשיר אולטרסוני בעל גשוש הופכים אותו לבחירה מצוינת לתחלוב במגוון תחומים, לרבות מזון ומשקאות, תרופות, קוסמטיקה, כימיקלים עדינים ודלקים.
קראו עוד על תחלוב אולטרסוני של מיונז!
קראו עוד על ייצור תחליבי שעוות פרפין באמצעות סוניקציה!
קראו עוד על תחליבי מים בסולר המיוצרים באמצעות אולטרסאונד!

מדידת DLS מציגה את ההתפלגות האחידה של גודלי הטיפות בתחליב שמן ורדים במים שיוצר באמצעות אולטרסאונד.

מהו תחליב?
תחליבים הם פיזורים של שני נוזלים או יותר שאינם מסיסים זה בזה. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מאוד מספק את ההספק הדרוש לפיזור פאזה נוזלית (הפאזה המפוזרת) בטיפות קטנות בתוך פאזה שנייה (הפאזה הרציפה). באזור הפיזור, בועות קוויטציה הקורסות פנימה גורמות לגלי הלם עזים בנוזל שסביבן ומביאות להיווצרות סילוני נוזל בעלי מהירות זרימה גבוהה.

ננו־תחליבים – היישום רב העוצמה למכשירי סוניקציה

ננו־תחליבים הם תחליבים שגודל הטיפות בהם בדרך כלל קטן מ־100 ננומטר. ננו־תחליבים מציעים כמה יתרונות על פני תחליבים קונבנציונליים, ובהם תכונות תפקודיות ייחודיות, יציבות גבוהה יותר, שקיפות וכו'.
סוניקציה עולה בביצועיה על טכנולוגיות תחלוב מסורתיות, במיוחד בכל הנוגע ליצירת ננו־תחליבים. זאת הודות לעקרון הפעולה היעיל ביותר ועתיר האנרגיה של האולטרסאונד.

 
הסרטון שלהלן מציג את תהליך התחלוב של שמן (צהוב) במים (אדום) באמצעות מכשיר הסוניקציה המעבדתי UP400S.

עקרון הפעולה של תחלוב אולטרסוני

קוויטציה אקוסטית: הכוח המניע מאחורי תחלוב וננו־תחלוב אולטרסוניים
תחלוב אולטרסוני מסתמך על ההשפעות העוצמתיות של קוויטציה אקוסטית, תופעה המתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה עוברים דרך נוזל. במהלך תהליך זה נוצרות בועות מיקרוסקופיות, גדלות ואז קורסות בעוצמה. הקריסה פנימה של בועות אלה יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, ובהם מפלי לחץ וטמפרטורה חריפים, כוחות גזירה גבוהים, גלי הלם ומיקרו־סילוני נוזל. כוחות אלה מפרקים ביעילות חלקיקים גדולים, טיפות ואגלומרטים למבנים קטנים בהרבה.
התמונה משמאל ממחישה קוויטציה אקוסטית הנוצרת באמצעות המעבד האולטרסוני UIP1000hdT ‏(1000 W), הפועל בעמודת זכוכית מלאה בנוזל.

כיצד קוויטציה אקוסטית משפרת את התחלוב

הן בתחלוב והן בננו־תחלוב, עוצמת הקוויטציה היא גורם מרכזי בקביעת גודל הטיפות. כאשר בועות הקוויטציה קורסות, כוחות הגזירה הנוצרים מפרקים טיפות גדולות לטיפות קטנות יותר ויותר. במקביל, השינויים המקומיים בלחץ ובטמפרטורה מעודדים היווצרות של טיפות חדשות ומסייעים לייצב את התחליב.
שילוב זה של פירוק טיפות וייצוב מאפשר לטכנולוגיה האולטרסונית לייצר תחליבים אחידים מאוד, בעלי התפלגויות גודל של טיפות זעירות במיוחד.
 

התפלגות גודל הטיפות בתחליבי מים ושמן זית שהוכנו באמצעות (a) שיטת הומוגניזציה קלאסית (b) שיטת הומוגניזציה אולטרסונית (באמצעות UP400S), עם MD, ‏WPI ותערובת שלהם, בתכולת חומר יבש של 40% ובתכולת שמן של 9% (w/w). תחלוב אולטרסוני מניב טיפות קטנות במידה ניכרת, פחות הקרמה ויציבות כוללת טובה יותר של התחליב.
(מחקר וגרפים: Zungur et al., 2015)

גשושים אולטרסוניים לתחלוב יעיל

Hielscher מציעה מגוון רחב של מכשירי סוניקציה מסוג גשוש ואביזרים לתחלוב ולפיזור יעילים של נוזלים בעיבוד מנתי ובעיבוד בזרימה רציפה.
מערכות המורכבות מכמה מעבדים אולטרסוניים בהספק של עד 16,000 ואט כל אחד מספקות את הקיבולת הדרושה להפיכת יישום מעבדתי זה לשיטת ייצור יעילה לקבלת תחליבים בעלי פיזור עדין בזרימה רציפה או במנות – תוך השגת תוצאות המשתוות לאלו של ההומוגנייזרים הטובים ביותר בלחץ גבוה הזמינים כיום, כגון שסתום הנחיר החדש. נוסף על יעילות גבוהה זו בתחלוב רציף, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher דורשים תחזוקה מועטה מאוד וקלים מאוד לתפעול ולניקוי. האולטרסאונד אף מסייע בפועל לניקוי ולשטיפה. ההספק האולטרסוני ניתן לכוונון ולהתאמה למוצרים מסוימים ולדרישות התחלוב. זמינים גם כורי תא זרימה מיוחדים העומדים בדרישות המתקדמות של CIP (ניקוי במקום) ושל SIP (עיקור במקום).

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator הוא אביזר רב־עוצמה התואם לכורי תאי הזרימה האולטרסוניים של Hielscher: באמצעות התותב MPC48, הפאזה המפוזרת מוזרקת דרך 48 קנולות כזרמי נוזל דקיקים אל האזור האולטרסוני החם, שבו הפאזה המפוזרת והפאזה הרציפה מתערבבות כטיפות זעירות ליצירת ננו־תחליב.
גלו כיצד MultiPhaseCavitator משפר את התחלוב!

ספרות / מקורות

• 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