תחליב על ידי קביטציה קולית
מגוון רחב של מוצרים ביניים ומוצרי צריכה – כגון מוצרי קוסמטיקה, קרמים לעור, משחות רפואיות, לכות, צבעים, חומרי סיכה ודלקים – מבוססים, כולם או חלקם, על תחליבים.
חברת Hielscher מייצרת את מעבדי הנוזלים האולטראסוניים התעשייתיים הגדולים ביותר בעולם, המיועדים ליצירת תחליבים ביעילות של זרמי נוזלים בנפח גדול במפעלי ייצור.
כיצד פועלת אמולסיפיקציה באמצעות אולטרסאונד
יישומים במעבדה: בתנאי מעבדה, כוח ההמסה של האולטרסאונד ידוע ונמצא בשימוש מזה זמן רב, בזכות היתרונות הרבים הכרוכים בהומוגניזציה ובהמסה באמצעות אולטרסאונד.
הטכנולוגיה
תהליך אמולסיפיקציה אמין באמצעות אולטרה-סאונד מבוסס על שימוש בחיישני אולטרה-סאונד, המכונים גם סונוטרודים. התהליך מתבצע באופן הבא:
- צימוד אולטרסאונד: באמצעות מתמר האולטרה-סאונד, גלי קול בעוצמה גבוהה מועברים לנוזלים, ויוצרים קוויטציה אקוסטית.
- אפקט הקוויטציה: קביטציה אולטראסונית או אקוסטית מייצרת כוחות גזירה חזקים, המספקים את האנרגיה הדרושה לפירוק טיפות גדולות לטיפות בגודל ננומטרי.
- היווצרות תחליב: שני שלבים נוזליים או יותר מעורבבים ליצירת תחליב אחיד בגודל תת-מיקרוני או ננומטרי.
הרחבת הייצור בקנה מידה תעשייתי באמצעות טכנולוגיית זרימה רציפה: השימוש בתאי זרימה קולי מאפשר הגדלה ליניארית של הייצור התעשייתי של ננו-אמולסיות, תוך עיבוד זרמי נוזלים בנפח גדול בתהליך זרימה רציפה.
הכנה אולטראסונית של ננו-אמולסיה שקופה באמצעות מכשיר האולטראסוניק UP400ST.
היתרונות של תחליב באמצעות אולטרסאונד
תחליב קולי באמצעות אולטרסוניקטור מסוג בדיקה מציע מספר יתרונות על פני טכניקות תחליב אחרות:
- יציבות תחליב משופרת: תחליב על-קולי יוצר גודל טיפות קטן יותר ופיזור טיפות אחיד יותר, וכתוצאה מכך יציבות תחליב משופרת וחיי מדף ארוכים יותר. ניתן לייצר טיפות בגודל תת-מיקרוני וננומטרי באופן אמין באמצעות אולטרסאונד חשמלי.
- התייעלות אנרגטית: תחליב קולי דורש פחות אנרגיה מאשר שיטות תחליב אחרות, מה שהופך אותו תהליך חסכוני יותר באנרגיה.
- מדרגיות: ניתן להגדיל או להקטין בקלות תחליב קולי בהתאם לנפח הנדרש, מה שהופך אותו לתהליך רב-תכליתי הן ליישומי מעבדה והן ליישומים תעשייתיים.
- חיסכון בזמן: תחליב קולי יכול להיות תהליך מהיר מאוד, עם תחליבים שנוצרו בתוך שניות עד דקות, בהתאם נוזלים, נפח וציוד.
- צורך מופחת בחומרים פעילי שטח: תחליב קולי יכול להפחית את הצורך בחומרים פעילי שטח, אשר נדרשים לעתים קרובות כדי לייצב תחליבים. עם זאת, עם גודל טיפה מופחת, שטח הפנים של החלקיק גדל ויותר שטח חייב להיות מכוסה על ידי פעילי שטח. Ultrasonication תואם כמעט כל סוג של פעילי שטח, כולל מתחלבים חלופיים וחדשניים.
- ייצור חום מינימלי ומבוקר: תחליב קולי הוא תהליך לא תרמי וייצור חום במהלך העיבוד ניתן להימנע או להפחית במידה קטנה. בכך, הסיכון לפירוק תרמי של תרכובות או מרכיבים רגישים מצטמצם.
היתרונות של תחליב קולי באמצעות אולטרסאונד מסוג בדיקה הופכים אותו לבחירה מצוינת עבור תחליב במגוון תחומים, כולל מזון ומשקאות, תרופות, קוסמטיקה, כימיקלים עדינים ודלקים.
קרא עוד על תחליב מיונז קולי!
קרא עוד על הייצור של תחליבים שעווה פרפין באמצעות סוניקציה!
קרא עוד על אמולסיות מים בדיזל המיוצרות באמצעות אולטרסאונד!
מדידת ה-DLS מראה את התפלגות גודל הטיפות האחידה של תחליב שמן ורדים במים, שנוצר באמצעות אולטרסאונד.
מהו תחליב?תחליבים הם פיזור של שני נוזלים בלתי ניתנים לערבוב או יותר. אולטרסאונד אינטנסיבי מאוד מספק את הכוח הדרוש לפיזור פאזה נוזלית (פאזה מפוזרת) בטיפות קטנות בשלב שני (פאזה רציפה). באזור הפיזור, בועות קוויטציה מתפוצצות גורמות לגלי הלם אינטנסיביים בנוזל שמסביב וגורמות להיווצרות סילוני נוזל במהירות נוזל גבוהה.
ננו-אמולסיות – יישום הכוח עבור מכשירי סוניקציה
ננו-אמולסיות הן תחליבים עם טיפות שגודלן בדרך כלל פחות מ-100 ננומטר. ננו-תחליבים מציעים מספר יתרונות על פני תחליבים קונבנציונליים, כולל תכונות פונקציונליות ייחודיות, יציבות גבוהה יותר, שקיפות וכו '.
Ultrasonication מתחרה טכנולוגיות תחליב מסורתיות, במיוחד כשמדובר היווצרות של nanoemulsions. זאת בשל עקרון העבודה היעיל ביותר ועתיר האנרגיה של אולטרסאונד.
הסרטון למטה מראה את תהליך התחליב של שמן (צהוב) למים (אדום) באמצעות האולטרסאונד של מעבדת UP400S.
עקרון העבודה של תחליב קולי
קביטציה אקוסטית: הכוח המניע מאחורי אמולסיפיקציה אולטראסונית וננו-אמולסיפיקציה
אמולסיפיקציה אולטראסונית מתבססת על ההשפעות העוצמתיות של קוויטציה אקוסטית, תופעה המתרחשת כאשר גלי קול בעוצמה גבוהה עוברים דרך נוזל. במהלך תהליך זה, נוצרות בועות מיקרוסקופיות, גדלות ואז מתפוצצות בעוצמה רבה. התמוטטותן של בועות אלה יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, כולל שיפועי לחץ וטמפרטורה עזים, כוחות גזירה גבוהים, גלי הלם ומיקרו-סילוני נוזל. כוחות אלה מפרקים ביעילות חלקיקים גדולים, טיפות ואגרגטים למבנים קטנים בהרבה.
התמונה משמאל ממחישה קוויטציה אקוסטית הנוצרת על ידי מעבד הקול UIP1000hdT (1000 וואט) הפועל בתוך עמוד זכוכית המלא בנוזל.
כיצד קוויטציה אקוסטית משפרת את תהליך ההמסה
הן בתהליך ההמסה והן בתהליך הננו-המסה, עוצמת הקוויטציה מהווה גורם מרכזי בקביעת גודל הטיפות. כאשר בועות הקוויטציה מתפוצצות, כוחות הגזירה הנוצרים מפרקים טיפות גדולות לטיפות קטנות יותר ויותר. במקביל, שינויי הלחץ והטמפרטורה המקומיים מעודדים היווצרות של טיפות חדשות, תוך שהם תורמים לייצוב התמיסה.
שילוב זה של פירוק וייצוב טיפות מאפשר לטכנולוגיה האולטראסונית לייצר תחליבים אחידים ביותר, בעלי התפלגות גודל טיפות עדינה במיוחד.
התפלגות גודל הטיפות של תחליבי מים ושמן זית שהוכנו באמצעות (א) שיטת ההומוגניזציה הקלאסית (ב) שיטת ההומוגניזציה האולטראסונית (בעזרת מכשיר UP400S) עם MD, WPI ותערובת שלהם, בעלי 40% חומר יבש ותכולת שמן של 9% (משקל/משקל). תהליך התחליב האולטראסוני מביא ליצירת טיפות קטנות משמעותית, פחות הפרדת שכבות ויציבות כללית טובה יותר של התחליב.
(מחקר וגרפים: Zungur et al., 2015)
בדיקות קוליות לתחליב יעיל
Hielscher מציעה מגוון רחב של אולטרסאונד מסוג בדיקה ואביזרים עבור תחליב יעיל ופיזור של נוזלים במצב אצווה וזרימה.
מערכות המורכבות ממספר מעבדים על-קוליים של עד 16,000 וואט כל אחד, מספקות את הקיבולת הדרושה כדי לתרגם יישום מעבדה זה לשיטת ייצור יעילה להשגת תחליבים מפוזרים דק בזרימה רציפה או באצווה – השגת תוצאות דומות לאלה של ההומוגנייזרים הטובים ביותר הזמינים כיום בלחץ גבוה, כגון שסתום הפתח החדש. בנוסף ליעילות גבוהה זו בתחליב מתמשך, מכשירים קוליים Hielscher דורשים תחזוקה נמוכה מאוד והם קלים מאוד לתפעול ולניקוי. האולטרסאונד אכן תומך בניקוי ובשטיפה. הכוח הקולי מתכוונן וניתן להתאים אותו למוצרים מסוימים ולדרישות תחליב. כורי תאי זרימה מיוחדים העומדים בדרישות המתקדמות של CIP (ניקוי במקום) ו-SIP (עיקור במקום) זמינים גם כן.
MultiSonoReactor MSR-4 הוא כור הומוגניזציה תעשייתי מוטבע המתאים לתהליכי תחליב (ננו) עם תפוקות גבוהות.
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 00.5 עד 1.5 מ"ל | נ.א. | VialTweeter | 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ליטר | 3 עד 15 ליטר/דקה | UIP6000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
ה-MultiPhaseCavitator הוא אביזר רב-עוצמה התואם לכורים תאי זרימה אולטראסוניים של Hielscher: באמצעות התוספת MPC48, השלב המפוזר מוזרק באמצעות 48 קנולות כזרמי נוזל דקים אל אזור החום האולטראסוני, שם השלב המפוזר והשלב הרציף מתערבבים כטיפות זעירות ליצירת ננו-אמולסיה.
גלו כיצד ה-MultiPhaseCavitator משפר את תהליך ההמסה!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
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
עובדות שכדאי לדעת
הגדרת המונח “אמולסיה”
תחליב הוא תערובת של שני נוזלים בלתי ניתנים לערבוב או יותר, כגון שמן ומים.
תחליבים יכולים להיות שמן במים (שבו טיפות שמן מפוזרות במים) או מים בשמן (שבו טיפות מים מפוזרות בשמן). תחליבים משמשים במגוון יישומים, כולל מוצרי מזון (כגון רטבים לסלט ומיונז), קוסמטיקה (כגון קרמים וקרמים) ותרופות (כגון חיסונים).
מתחלב פועל על ידי הפחתת מתח הפנים בין שני החומרים הבלתי ניתנים לערבוב (כגון שמן ומים) בתחליב. זה מפחית את הנטייה של שני החומרים להיפרד ומאפשר להם ליצור תערובת יציבה.
כיצד הופך תחליב ליציב?
תחליב נעשה יציב על ידי מניעת הפאזה המפוזרת (טיפות של נוזל אחד) מלהתלכד ולהפריד מהפאזה הרציפה (הנוזל שמסביב). יש לקחת בחשבון מספר נקודות מפתח כדי להשיג יציבות באמולסיות:
- חומרים מתחלבים (חומרים פעילי שטח):
– תפקיד: חומרים מתחלבים הם מולקולות שיש להן גם קצוות הידרופיליים (מושכים מים) וגם הידרופוביים (דוחי מים).
– פעולה: הם מפחיתים את מתח הפנים בין שני הנוזלים הבלתי ניתנים לערבוב ויוצרים שכבת הגנה סביב הטיפות, מה שמונע מהם להתמזג.
– דוגמאות: לציטין, פוליסורבטים ונתרן סטארויל לקטילט. - שיטות מכניות:
ערבוב בעל ביצועים גבוהים: שימוש במערבלים בעלי גזירה גבוהה או הומוגנייזרים כדי לשבור את הטיפות לגדלים קטנים יותר, להגדיל את שטח הפנים ולשפר את היציבות. סוניקטורים מסוג בדיקה הם שיטה מצוינת ואמינה מאוד באמצעות כוחות גזירה סונומכניים. כוחות גזירה על-קוליים אלה שוברים טיפות גדולות לטיפות זעירות וממזגים את השלבים הבלתי ניתנים לערבוב לכדי תחליב יציב. - מגיני צמיגות:
מעבים: הגדלת צמיגות השלב הרציף יכולה להאט את תנועת הטיפות, ולהפחית את הסבירות להתלכדות.
– דוגמאות: קסנטן גאם, גואר גאם וקרבוקסימתיל צלולוז. - חומרים מייצבים:
– פולימרים: פולימרים יכולים לספק ייצוב סטרי על ידי יצירת שכבה עבה סביב טיפות.
– דוגמאות: פקטין, ג'לטין וחלבונים מסוימים. - ייצוב אלקטרוסטטי:
– תשלום: חלק מהאמולסיפיירים מקנים מטען חשמלי לפני השטח של הטיפות, מה שגורם להן לדחות זו את זו ובכך להפחית את ההתלכדות.
– דוגמאות: נתרן קזאינט ולציטין סויה. - בקרת טמפרטורה:
– קירור: הורדת הטמפרטורה יכולה להגדיל את צמיגות השלב הרציף ולהפחית את האנרגיה הקינטית של הטיפות, ולמנוע התלכדות.
– הימנעות מהפרדת פאזות: הקפדה על הישארות הטמפרטורה בטווח המונע מהרכיבים להיפרד. - תוספים:
– חמצון: מניעת חמצון יכולה לסייע בשמירה על שלמות החומר המתחלב ורכיבים אחרים.
– סוכני כלציה: קשירת יוני מתכת שאחרת עלולים לערער את יציבות התחליב.
באמצעות טכניקה נכונה של אמולסיה, ניתן לייצב את האמולסיות, ולהבטיח שהתערובת תישאר הומוגנית ותשמור על תכונותיה הרצויות לאורך זמן.
מתחלבים מייצבים
באופן כללי, תחליבים דורשים ייצוב באמצעות חומר מתחלב או פעילי שטח. חומרים מתחלבים הם אמפיפיליים – הם מושכים גם מים וגם חומרים שומניים. משמעות הדבר היא שיש להם תכונות הידרופיליות (אוהבות מים) והידרופוביות (אוהבות שמן), מה שמאפשר להם לתקשר הן עם שלבי השמן והן עם פאזות המים של התחליב. החלק ההידרופילי של מולקולת המתחלב נצמד למולקולות המים, ואילו החלק ההידרופובי נצמד למולקולות השמן.
על ידי הקפת טיפות השמן במולקולות מתחלבות, המתחלב יוצר שכבת הגנה סביב הטיפות המונעת מהן לבוא במגע זו עם זו ולהתלכד (להתחבר יחד) ליצירת טיפות גדולות יותר. זה עוזר לשמור על תחליב יציב ומונע הפרדה.
מכיוון שהתלכדות הטיפות לאחר הפרעה משפיעה על התפלגות גודל הטיפות הסופית, משתמשים במתחלבים מייצבים ביעילות כדי לשמור על התפלגות גודל הטיפות הסופית ברמה השווה להתפלגות מיד לאחר הפרעה הטיפות באזור הפיזור העל-קולי. מייצבים למעשה מובילים להפרעה טיפתית משופרת בצפיפות אנרגיה קבועה.
בין הדוגמאות לחומרים מתחלבים נפוצים לציטין (שנמצא בחלמון ביצה ובפולי סויה), מונוגליצרידים ודיגליצרידים, פוליסורבט 80 ונתרן סטארויל לקטילט.
Miniemulsions, אשר ניתן ליצור ביעילות על ידי ultrasonication, לשפר תגובות כימיות. פילמור מאקרואמולסיה (א) לעומת פילמור מיניאמולסיה (ב) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.