अल्ट्रासोनिक कैविटेशन द्वारा पायसीकरण
अनेक प्रकार के मध्यवर्ती और उपभोक्ता उत्पाद – जैसे सौंदर्य प्रसाधन, त्वचा के लोशन, औषधीय मलहम, वार्निश, पेंट, स्नेहक और ईंधन – पूरी तरह या आंशिक रूप से इमल्शन पर आधारित होते हैं।
Hielscher उत्पादन संयंत्रों में बड़ी आयतन वाली प्रवाह धाराओं के कुशल पायसीकरण के लिए विश्व के सबसे बड़े औद्योगिक अल्ट्रासोनिक तरल प्रोसेसर बनाता है।
अल्ट्रासोनिक पायसीकरण कैसे काम करता है
प्रयोगशाला अनुप्रयोग: प्रयोगशालाओं में अल्ट्रासोनिक समांगीकरण और पायसीकरण से जुड़े विभिन्न लाभों के कारण अल्ट्रासाउंड की पायसीकरण क्षमता लंबे समय से ज्ञात है और उपयोग में लाई जाती रही है।
प्रौद्योगिकी
विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक पायसीकरण अल्ट्रासोनिक प्रोब के उपयोग पर आधारित है, जिन्हें सोनोट्रोड भी कहा जाता है। यह प्रक्रिया इस प्रकार काम करती है:
- अल्ट्रासाउंड युग्मन: अल्ट्रासोनिक प्रोब के माध्यम से उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड को तरल पदार्थों में युग्मित किया जाता है, जिससे ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न होता है।
- कैविटेशन का प्रभाव: अल्ट्रासोनिक या ध्वनिक कैविटेशन उच्च अपरूपण बल उत्पन्न करता है, जो बड़ी बूंदों को नैनो आकार की बूंदों में तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करते हैं।
- इमल्शन का निर्माण: दो या अधिक तरल प्रावस्थाओं को मिलाकर एक समान सबमाइक्रोन या नैनोइमल्शन बनाया जाता है।
प्रवाह आधारित प्रौद्योगिकी से औद्योगिक स्तर तक रैखिक विस्तार: अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल का उपयोग नैनोइमल्शन के औद्योगिक उत्पादन तक रैखिक विस्तार संभव बनाता है, जिसमें बड़े आयतन वाली धाराओं को निरंतर प्रवाह में संसाधित किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक पायसीकरण के लाभ
प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर से किया जाने वाला अल्ट्रासोनिक पायसीकरण अन्य पायसीकरण तकनीकों की तुलना में कई लाभ प्रदान करता है:
- इमल्शन की बेहतर स्थिरता: अल्ट्रासोनिक पायसीकरण से छोटी बूंदें और बूंदों का अधिक एक समान वितरण प्राप्त होता है, जिससे इमल्शन की स्थिरता बेहतर होती है और उसकी भंडारण अवधि बढ़ती है। उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके सबमाइक्रोन और नैनो आकार की बूंदें विश्वसनीय रूप से बनाई जा सकती हैं।
- ऊर्जा दक्षता: अल्ट्रासोनिक पायसीकरण में अन्य पायसीकरण विधियों की तुलना में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे यह अधिक ऊर्जा दक्ष प्रक्रिया बन जाता है।
- प्रक्रिया का पैमाना बदलने की क्षमता: आवश्यक आयतन के अनुसार अल्ट्रासोनिक पायसीकरण का पैमाना आसानी से बढ़ाया या घटाया जा सकता है, जिससे यह प्रयोगशाला और औद्योगिक, दोनों अनुप्रयोगों के लिए एक बहुउपयोगी प्रक्रिया बन जाता है।
- समय की बचत: अल्ट्रासोनिक पायसीकरण एक बहुत तेज प्रक्रिया हो सकता है, जिसमें तरल पदार्थों, आयतन और उपकरण के आधार पर सेकंडों से लेकर मिनटों में इमल्शन बन जाते हैं।
- पृष्ठसक्रिय पदार्थों की कम आवश्यकता: अल्ट्रासोनिक पायसीकरण पृष्ठसक्रिय पदार्थों की आवश्यकता कम कर सकता है, जिनकी अक्सर इमल्शन को स्थिर करने के लिए आवश्यकता होती है। हालांकि, बूंद का आकार घटने पर कण का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ जाता है और पृष्ठसक्रिय पदार्थ से अधिक क्षेत्र को ढकना आवश्यक हो जाता है। अल्ट्रासोनिकेशन वैकल्पिक और नवीन पायसीकारकों सहित लगभग हर प्रकार के पृष्ठसक्रिय पदार्थ के साथ संगत है।
- न्यूनतम और नियंत्रित किया जा सकने वाला ऊष्मा उत्पादन: अल्ट्रासोनिक पायसीकरण एक गैर-तापीय प्रक्रिया है और प्रसंस्करण के दौरान ऊष्मा उत्पादन से बचा जा सकता है या उसे थोड़ा कम किया जा सकता है। इससे संवेदनशील यौगिकों या अवयवों के तापीय अपघटन का जोखिम कम होता है।
प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर से किए जाने वाले अल्ट्रासोनिक पायसीकरण के लाभ इसे खाद्य और पेय पदार्थों, औषधियों, सौंदर्य प्रसाधनों, सूक्ष्म रसायनों और ईंधनों सहित विभिन्न क्षेत्रों में पायसीकरण के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बनाते हैं।
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DLS मापन अल्ट्रासोनिक विधि से बनाए गए पानी में गुलाब के तेल के इमल्शन में बूंदों के आकार का एक समान वितरण दर्शाता है।
इमल्शन क्या है?इमल्शन दो या अधिक परस्पर अमिश्रणीय तरल पदार्थों के परिक्षेपण होते हैं। अत्यंत उच्च तीव्रता वाला अल्ट्रासाउंड एक तरल प्रावस्था (परिक्षिप्त प्रावस्था) को दूसरी प्रावस्था (सतत प्रावस्था) में छोटी बूंदों के रूप में परिक्षेपित करने के लिए आवश्यक शक्ति प्रदान करता है। परिक्षेपण क्षेत्र में अंतःस्फोटित होने वाले कैविटेशन बुलबुले आसपास के तरल में तीव्र आघात तरंगें उत्पन्न करते हैं और इनके परिणामस्वरूप उच्च वेग वाले तरल जेट बनते हैं।
नैनो-इमल्शन – सोनिकेटरों का एक शक्तिशाली अनुप्रयोग
नैनोइमल्शन ऐसे इमल्शन हैं जिनकी बूंदों का आकार आम तौर पर 100 नैनोमीटर से कम होता है। नैनोइमल्शन पारंपरिक इमल्शन की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं, जिनमें विशिष्ट कार्यात्मक गुण, अधिक स्थिरता, पारदर्शिता आदि शामिल हैं।
अल्ट्रासोनिकेशन पारंपरिक इमल्सीकरण प्रौद्योगिकियों से बेहतर प्रदर्शन करता है, विशेष रूप से नैनोइमल्शन बनाने में। इसका कारण अल्ट्रासाउंड का अत्यधिक कुशल और ऊर्जा-सघन कार्य सिद्धांत है।
नीचे दिया गया वीडियो UP400S प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके तेल (पीला) को पानी (लाल) में इमल्सीकरण करने की प्रक्रिया दिखाता है।
अल्ट्रासोनिक इमल्सीकरण का कार्य सिद्धांत
ध्वनिक कैविटेशन: अल्ट्रासोनिक इमल्सीकरण और नैनो-इमल्सीकरण के पीछे की प्रेरक शक्ति
अल्ट्रासोनिक इमल्सीकरण ध्वनिक कैविटेशन के शक्तिशाली प्रभावों पर निर्भर करता है। यह घटना तब होती है जब उच्च तीव्रता वाली अल्ट्रासाउंड तरंगें किसी तरल से होकर गुजरती हैं। इस प्रक्रिया के दौरान सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं, बढ़ते हैं और फिर तीव्रता से ध्वस्त हो जाते हैं। इन बुलबुलों के अंदर की ओर ध्वस्त होने से अत्यधिक स्थानीयकृत परिस्थितियां उत्पन्न होती हैं, जिनमें तीव्र दाब और तापमान प्रवणताएं, उच्च अपरूपण बल, आघात तरंगें और तरल के सूक्ष्म जेट शामिल हैं। ये बल बड़े कणों, बूंदों और कण-समुच्चयों को प्रभावी ढंग से बहुत छोटी संरचनाओं में तोड़ देते हैं।
बाईं ओर की छवि तरल से भरे कांच के स्तंभ में कार्यरत UIP1000hdT अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर (1000 W) द्वारा उत्पन्न ध्वनिक कैविटेशन दिखाती है।
ध्वनिक कैविटेशन इमल्सीकरण को कैसे बेहतर बनाता है
इमल्सीकरण और नैनो-इमल्सीकरण दोनों में, कैविटेशन की तीव्रता बूंदों का आकार निर्धारित करने वाला एक प्रमुख कारक है। जब कैविटेशन बुलबुले ध्वस्त होते हैं, तो उनसे उत्पन्न अपरूपण बल बड़ी बूंदों को लगातार छोटी होती बूंदों में तोड़ते हैं। साथ ही, दाब और तापमान में स्थानीयकृत परिवर्तन नई बूंदों के निर्माण को बढ़ावा देते हैं और इमल्शन को स्थिर करने में भी सहायता करते हैं।
बूंदों के विघटन और स्थिरीकरण का यह संयोजन अल्ट्रासोनिक प्रौद्योगिकी को असाधारण रूप से महीन बूंद-आकार वितरण वाले अत्यधिक एकसमान इमल्शन बनाने में सक्षम बनाता है।
MD, WPI और उनके मिश्रण का उपयोग करके (a) पारंपरिक होमोजेनाइज़ेशन विधि तथा (b) अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़ेशन विधि (UP400S का उपयोग करके) से तैयार किए गए पानी-जैतून तेल इमल्शन का बूंद-आकार वितरण, जिनमें 40% शुष्क पदार्थ और 9% तेल (w/w) की मात्रा है। अल्ट्रासोनिक इमल्सीकरण से काफी छोटी बूंदें, कम क्रीमिंग और इमल्शन की बेहतर समग्र स्थिरता प्राप्त होती है।
(अध्ययन और ग्राफ: Zungur et al., 2015)
कुशल इमल्सीकरण के लिए अल्ट्रासोनिक प्रोब
Hielscher बैच और प्रवाह-आधारित मोड में तरल पदार्थों के कुशल इमल्सीकरण और परिक्षेपण के लिए प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों और सहायक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करता है।
प्रत्येक अधिकतम 16,000 वाट क्षमता वाले कई अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों से बनी प्रणालियां इस प्रयोगशाला अनुप्रयोग को एक कुशल उत्पादन विधि में बदलने के लिए आवश्यक क्षमता प्रदान करती हैं, जिससे निरंतर प्रवाह में या बैच में महीन रूप से परिक्षेपित इमल्शन प्राप्त किए जा सकते हैं – और आज उपलब्ध सर्वोत्तम उच्च-दाब होमोजेनाइज़रों, जैसे नए ओरिफ़िस वाल्व, के तुलनीय परिणाम हासिल किए जा सकते हैं। निरंतर इमल्सीकरण में इस उच्च दक्षता के अलावा, Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरणों को बहुत कम रखरखाव की आवश्यकता होती है और इन्हें चलाना तथा साफ करना बहुत आसान है। अल्ट्रासाउंड वास्तव में सफाई और धुलाई में सहायता करता है। अल्ट्रासोनिक शक्ति समायोज्य है और इसे विशिष्ट उत्पादों तथा इमल्सीकरण की आवश्यकताओं के अनुरूप ढाला जा सकता है। उन्नत CIP (उपकरण को उसके स्थान पर ही साफ करना) और SIP (उपकरण को उसके स्थान पर ही निर्जीवाणुकृत करना) आवश्यकताओं को पूरा करने वाले विशेष प्रवाह सेल रिएक्टर भी उपलब्ध हैं।
| बैच का आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.5 से 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 से 150L | 3 से 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | अधिक | समूह जिसमें शामिल हैं UIP16000 |
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MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator एक शक्तिशाली सहायक उपकरण है जो Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल रिएक्टरों के अनुकूल है: MPC48 इंसर्ट का उपयोग करके, परिक्षिप्त प्रावस्था को 48 कैनुलाओं के माध्यम से तरल की पतली धाराओं के रूप में अल्ट्रासोनिक उष्ण क्षेत्र में इंजेक्ट किया जाता है, जहाँ परिक्षिप्त प्रावस्था और सतत प्रावस्था को अत्यंत सूक्ष्म बूंदों के रूप में मिलाकर एक नैनोइमल्शन बनाया जाता है।
जानें कि MultiPhaseCavitator इमल्सीकरण को कैसे बेहतर बनाता है!
साहित्य / संदर्भ
- 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
जानने योग्य तथ्य
“इमल्शन” शब्द की परिभाषा
इमल्शन दो या अधिक परस्पर अमिश्रणीय तरल पदार्थों का मिश्रण है, जैसे तेल और पानी।
इमल्शन या तो पानी में तेल के हो सकते हैं (जहाँ तेल की बूंदें पानी में परिक्षिप्त होती हैं) या तेल में पानी के (जहाँ पानी की बूंदें तेल में परिक्षिप्त होती हैं)। इमल्शन का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें खाद्य उत्पाद (जैसे सलाद ड्रेसिंग और मेयोनेज़), सौंदर्य प्रसाधन (जैसे लोशन और क्रीम) और औषधीय उत्पाद (जैसे टीके) शामिल हैं।
इमल्सीफायर इमल्शन में दो परस्पर अमिश्रणीय पदार्थों (जैसे तेल और पानी) के बीच पृष्ठ तनाव को कम करके काम करता है। इससे दोनों पदार्थों की अलग होने की प्रवृत्ति कम होती है और वे एक स्थिर मिश्रण बना पाते हैं।
इमल्शन को स्थिर कैसे बनाया जाता है?
परिक्षिप्त प्रावस्था (एक तरल की बूंदों) को आपस में मिलकर बड़ी बूंदें बनाने और सतत प्रावस्था (आसपास के तरल) से अलग होने से रोककर इमल्शन को स्थिर बनाया जाता है। इमल्शन में स्थिरता प्राप्त करने के लिए कई प्रमुख बिंदुओं पर विचार करना आवश्यक है:
- इमल्सीफायर (सर्फैक्टेंट):
– भूमिका: इमल्सीफायर ऐसे अणु हैं जिनमें जलरागी (पानी को आकर्षित करने वाले) और जलविरागी (पानी को प्रतिकर्षित करने वाले), दोनों प्रकार के सिरे होते हैं।
– क्रिया: वे दो परस्पर अमिश्रणीय तरल पदार्थों के बीच पृष्ठ तनाव को कम करते हैं और बूंदों के चारों ओर एक सुरक्षात्मक परत बनाते हैं, जिससे वे आपस में मिलकर बड़ी बूंदें नहीं बना पातीं।
– उदाहरण: लेसिथिन, पॉलीसॉर्बेट और सोडियम स्टीयरॉयल लैक्टिलेट। - यांत्रिक विधियाँ:
उच्च प्रदर्शन वाला मिश्रण: उच्च अपरूपण वाले मिक्सर या होमोजेनाइज़र का उपयोग करके बूंदों को छोटे आकारों में तोड़ा जाता है, जिससे पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है और स्थिरता बेहतर होती है। प्रोब प्रकार के सोनिकेटर ध्वनि-यांत्रिक अपरूपण बलों का उपयोग करने की एक उत्कृष्ट और बहुत विश्वसनीय विधि हैं। ये अल्ट्रासोनिक अपरूपण बल बड़ी बूंदों को अत्यंत सूक्ष्म बूंदों में तोड़ते हैं और परस्पर अमिश्रणीय प्रावस्थाओं को मिलाकर एक स्थिर इमल्शन बनाते हैं। - श्यानता संशोधक:
गाढ़ा करने वाले पदार्थ: सतत प्रावस्था की श्यानता बढ़ाने से बूंदों की गति धीमी हो सकती है, जिससे उनके आपस में मिलकर बड़ी बूंदें बनाने की संभावना कम होती है।
– उदाहरण: ज़ैंथन गम, ग्वार गम और कार्बोक्सीमेथिल सेलुलोज़। - स्थिरीकरण कारक:
– बहुलक: बहुलक बूंदों के चारों ओर एक मोटी परत बनाकर स्टेरिक स्थिरीकरण प्रदान कर सकते हैं।
– उदाहरण: पेक्टिन, जिलेटिन और कुछ प्रोटीन। - स्थिरवैद्युत स्थिरीकरण:
– आवेश: कुछ इमल्सीफायर बूंदों की सतह पर विद्युत आवेश प्रदान करते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं और इस प्रकार उनके आपस में मिलकर बड़ी बूंदें बनाने की प्रवृत्ति कम होती है।
– उदाहरण: सोडियम केसिनेट और सोया लेसिथिन। - तापमान नियंत्रण:
– शीतलन: तापमान कम करने से सतत प्रावस्था की श्यानता बढ़ सकती है और बूंदों की गतिज ऊर्जा कम हो सकती है, जिससे वे आपस में मिलकर बड़ी बूंदें नहीं बना पातीं।
– प्रावस्था पृथक्करण से बचाव: यह सुनिश्चित करना कि तापमान ऐसी सीमा के भीतर रहे जो घटकों को अलग होने से रोकती है। - योजक:
– एंटीऑक्सीडेंट: ऑक्सीकरण रोकने से इमल्सीफायर और अन्य घटकों की अखंडता बनाए रखने में मदद मिल सकती है।
– कीलेटिंग कारक: उन धातु आयनों को बाँधना जो अन्यथा इमल्शन को अस्थिर कर सकते हैं।
इमल्सीकरण की सही तकनीक अपनाकर इमल्शन को स्थिर बनाया जा सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि मिश्रण समांगी बना रहे और समय के साथ अपने वांछित गुण बनाए रखे।
स्थिरता प्रदान करने वाले इमल्सीफायर
सामान्यतः, इमल्शन को स्थिर करने के लिए पायसीकारक या पृष्ठसक्रिय पदार्थ की आवश्यकता होती है। पायसीकारक उभयरागी होते हैं – वे पानी और वसायुक्त पदार्थों, दोनों को आकर्षित करते हैं। इसका अर्थ है कि उनमें जलरागी (पानी को आकर्षित करने वाले) और जलविरागी (तेल को आकर्षित करने वाले) गुण होते हैं, जिससे वे इमल्शन की तेल और पानी, दोनों प्रावस्थाओं के साथ अंतःक्रिया कर सकते हैं। पायसीकारक अणु का जलरागी भाग पानी के अणुओं से जुड़ता है, जबकि जलविरागी भाग तेल के अणुओं से जुड़ता है।
तेल की बूंदों को पायसीकारक अणुओं से घेरकर, पायसीकारक बूंदों के चारों ओर एक सुरक्षात्मक परत बनाता है, जो उन्हें एक-दूसरे के संपर्क में आने और सहसंयोजित होकर (आपस में जुड़कर) बड़ी बूंदें बनाने से रोकती है। इससे इमल्शन को स्थिर बनाए रखने में मदद मिलती है और पृथक्करण रुकता है।
चूंकि विघटन के बाद बूंदों का सहसंयोजन अंतिम बूंद आकार वितरण को प्रभावित करता है, इसलिए प्रभावी ढंग से स्थिरता प्रदान करने वाले पायसीकारकों का उपयोग अंतिम बूंद आकार वितरण को उस स्तर पर बनाए रखने के लिए किया जाता है, जो अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण क्षेत्र में बूंदों के विघटन के तुरंत बाद के वितरण के बराबर होता है। स्थिरकारी वास्तव में स्थिर ऊर्जा घनत्व पर बूंदों के विघटन को बेहतर बनाते हैं।
आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पायसीकारकों के उदाहरणों में लेसिथिन (जो अंडे की जर्दी और सोयाबीन में पाया जाता है), मोनो- और डाइग्लिसराइड, पॉलीसॉर्बेट 80 और सोडियम स्टीयरॉयल लैक्टिलेट शामिल हैं।
Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है, जिनका आकार प्रयोगशाला स्तर से लेकर औद्योगिक स्तर तक होता है।



