Emulgiranje ultrazvučnom kavitacijom
Širok raspon poluproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetički proizvodi i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje i maziva te goriva temelje se u cijelosti ili djelomično na emulzijama. Hielscher proizvodi najveće industrijske ultrazvučne tekuće procesore na svijetu za učinkovito emulgiranje velikih tokova volumena u proizvodnim pogonima.
Ultrazvučna emulgacija
U laboratoriju je moć emulgiranja ultrazvuka poznata i primjenjivana već dugo zbog raznih prednosti koje su povezane s ultrazvučnom homogenizacijom i emulzifikacijom. Pouzdana ultrazvučna emulgacija temelji se na upotrebi ultrazvučnih sondi, tzv. sonotroda. Preko ultrazvučne sonde, ultrazvuk visokog intenziteta spaja se u tekućine i stvara akustičnu kavitaciju. Ultrazvučna ili akustična kavitacija stvara velike sile smicanja, koje osiguravaju potrebnu energiju za razbijanje velikih kapljica do kapljica nano veličine. Time se dvije ili više tekućih faza miješaju u jedinstvenu submikronsku ili nanoemulziju.
Korištenje ultrazvučnih protočnih ćelija omogućuje linearno povećanje do industrijske proizvodnje nanoemulzija koje obrađuju velike volumenske tokove u kontinuiranom protoku.
Višefazni kavitator: Jedinstveni Hielscherov umetak s protočnom ćelijom MPC48 snažan je dodatak kompatibilan s Hielscher ultrazvučnim reaktorima s protočnom ćelijom. Pomoću umetka MPC48, disperzna faza se ubrizgava preko 48 kanila kao tanke tekuće niti u ultrazvučnu vruću zonu, gdje se disperzna faza i kontinuirana faza miješaju kao sitne kapljice u nanoemulziju. Pročitajte više o umetku ultrazvučne protočne ćelije MPC48!
Ultrasonicators su pouzdani i učinkoviti u proizvodnji emulzija submikronske i nano veličine.
Prednosti ultrazvučne emulgacije
Ultrazvučno emulgiranje korištenjem ultrazvučnog uređaja tipa sonde nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge tehnike emulgiranja:
- Poboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvučna emulgacija stvara manje veličine kapljica i ravnomjerniju distribuciju kapljica, što rezultira poboljšanom stabilnošću emulzije i dužim vijekom trajanja. Kapljice submikronske i nano veličine mogu se pouzdano proizvesti pomoću snažnog ultrazvuka.
- Energetska učinkovitost: Ultrazvučno emulgiranje zahtijeva manje energije od drugih metoda emulgiranja, što ga čini energetski učinkovitijim procesom.
- Skalabilnost: Ultrazvučna emulgacija može se lako povećati ili smanjiti ovisno o potrebnom volumenu, što ga čini svestranim procesom za laboratorijske i industrijske primjene.
- Ušteda vremena: Ultrazvučna emulgacija može biti vrlo brz proces, s emulzijama koje se formiraju u nekoliko sekundi do minuta, ovisno o tekućinama, volumenu i opremi.
- Smanjena potreba za surfaktantima: Ultrazvučna emulgacija može smanjiti potrebu za surfaktantima, koji su često potrebni za stabilizaciju emulzija. Međutim, sa smanjenom veličinom kapljica, površina čestice se povećava i više površine mora biti pokriveno površinski aktivnim sredstvom. Ultrasonication je kompatibilan s gotovo svim vrstama površinski aktivnih tvari, uključujući alternativne i nove emulgatore.
- Minimalna i kontrolirana proizvodnja topline: Ultrazvučna emulgacija je ne-toplinski proces i stvaranje topline tijekom obrade može se izbjeći ili smanjiti na mali stupanj. Time se smanjuje rizik od toplinske degradacije osjetljivih spojeva ili sastojaka.
Prednosti ultrazvučne emulgacije pomoću ultrazvučnog uređaja tipa sonde čine ga izvrsnim izborom za emulgiranje u raznim područjima, uključujući hranu i piće, lijekove, kozmetiku, fine kemikalije i goriva.
Pročitajte više o ultrazvučnoj emulzifikaciji majoneze!
Pročitajte više o proizvodnji emulzija parafinskog voska korištenjem sonikacije!
Pročitajte više o emulzijama vode u dizelu proizvedenim pomoću ultrazvuka!
Ultrazvučna priprema emulzije ulje u vodi (O/W) (crvena voda / žuto ulje). Nekoliko sekundi sonikacije pretvara odvojene faze vode/ulja u finu emulziju.
Video u nastavku prikazuje proces emulgiranja ulja (žuto) u vodu (crveno) pomoću laboratorijskog ultrazvučnog uređaja UP400S.
Što je emulzija?Emulzije su disperzije dviju ili više tekućina koje se ne miješaju. Visoko intenzivan ultrazvuk daje snagu potrebnu za raspršivanje tekuće faze (dispergirana faza) u malim kapljicama u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni raspršivanja, implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i rezultiraju stvaranjem mlaznica tekućine velike brzine tekućine.
Miniemulzije, koje se mogu učinkovito stvoriti ultrazvukom, poboljšavaju kemijske reakcije. Makroemulzijska polimerizacija (a) naspram miniemulzijske polimerizacije (b) [Schork et al. 2005: 136]
nano-emulzije – Primjena snage za ultrazvučne uređaje
Nanoemulzije su emulzije s kapljicama koje su obično manje od 100 nanometara. Nanoemulzije nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne emulzije, uključujući jedinstvena funkcionalna svojstva, veću stabilnost, prozirnost itd.
Ultrasonication nadmašuje tradicionalne tehnologije emulgiranja, posebno kada je u pitanju formiranje nanoemulzija. To je zbog vrlo učinkovitog i energetski intenzivnog principa rada ultrazvuka.
Princip rada ultrazvučne emulgacije
Ultrazvučni procesi emulgiranja koriste sile akustične kavitacije. Akustična kavitacija odnosi se na fenomen formiranja, rasta i implozivnog kolapsa malih mjehurića u tekućem mediju podvrgnutih ultrazvučnim valovima visokog intenziteta. Implozija ovih mjehurića stvara intenzivne lokalne gradijente tlaka i temperature, što može stvoriti velike sile smicanja, udarne valove i mikro-mlazeve koji mogu razbiti velike čestice i nakupine u manje. Slika lijevo pokazuje ultrazvučnu kavitaciju generiranu na sondi ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT (1000 watta) u staklenoj koloni ispunjenoj tekućinom.
U emulzifikaciji i nanoemulzifikaciji, intenzitet akustične kavitacije igra ključnu ulogu u smanjenju veličine kapljica u emulziji. Implozivni kolaps kavitacijskih mjehurića može stvoriti snažne sile smicanja koje razbijaju veće kapljice na manje. Štoviše, lokalni gradijenti tlaka i temperature koje stvara kavitacija također mogu pospješiti stvaranje novih kapljica i stabilizirati emulziju.
Jedinstveni aspekt akustične kavitacije je njezina sposobnost pružanja lokaliziranog i intenzivnog unosa energije u tekući medij, bez potrebe za visokim mehaničkim ili toplinskim naprezanjima. To ga čini atraktivnom tehnikom za nanoemulzifikaciju, budući da može smanjiti unos energije koji je potreban za proces emulgiranja, dok se postiže manja veličina kapljica i uža distribucija veličine kapljica.
Zbog ovih precizno kontroliranih ultrazvučnih sila, akustična kavitacija je moćan alat za nano-emulzifikaciju. Njegova sposobnost generiranja lokaliziranog i intenzivnog unosa energije omogućuje razbijanje većih kapljica tvoreći kapljice submikronske i nano veličine uz vrlo visoku učinkovitost.
Studije emulzija ulje u vodi (vodena faza) i voda u ulju (uljna faza) pokazale su korelaciju između gustoće energije i veličine kapljice (npr. Sauterov promjer). Postoji jasna tendencija za manju veličinu kapljica pri rastućoj gustoći energije (kliknite na desnu grafiku). Na odgovarajućim razinama gustoće energije, ultrazvuk može lako i pouzdano postići srednje veličine kapljica u nano-rasponu.
Ultrazvučne sonde za učinkovito emulgiranje
Hielscher nudi širok raspon ultrazvučnih sondi i dodataka za učinkovitu emulzifikaciju i disperziju tekućina u šaržnom i protočnom načinu rada.
Sustavi koji se sastoje od nekoliko ultrazvučnih procesora do 16 000 vata svaki, pružaju kapacitet potreban za prevođenje ove laboratorijske aplikacije u učinkovitu proizvodnu metodu za dobivanje fino raspršenih emulzija u kontinuiranom toku ili u serijama – postižući rezultate usporedive s rezultatima današnjih najboljih visokotlačnih homogenizatora, kao što je novi otvorni ventil. Uz ovu visoku učinkovitost u kontinuiranoj emulgaciji, Hielscher ultrazvučni uređaji zahtijevaju vrlo malo održavanja i vrlo su jednostavni za rukovanje i čišćenje. Ultrazvuk zapravo podržava čišćenje i ispiranje. Snaga ultrazvuka je podesiva i može se prilagoditi određenim proizvodima i zahtjevima za emulgiranje. Dostupni su i posebni reaktori s protočnim ćelijama koji ispunjavaju napredne zahtjeve CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizacija na mjestu).
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski linijski reaktor za homogenizaciju prikladan za procese (nano-)emulgiranja s velikim protokom.
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Definicija pojma “emulzija”
Emulzija je mješavina dviju ili više tekućina koje se ne miješaju, kao što su ulje i voda.
Emulzije mogu biti ili ulje u vodi (gdje su kapljice ulja raspršene u vodi) ili voda u ulju (gdje su kapljice vode raspršene u ulju). Emulzije se koriste u raznim primjenama, uključujući prehrambene proizvode (kao što su preljevi za salatu i majoneza), kozmetiku (kao što su losioni i kreme) i farmaceutske proizvode (kao što su cjepiva).
Emulgator djeluje tako što smanjuje površinsku napetost između dvije tvari koje se ne miješaju (kao što su ulje i voda) u emulziji. Time se smanjuje sklonost dviju tvari razdvajanju i omogućuje im stvaranje stabilne smjese.
Kako je emulzija stabilna?
Emulzija postaje stabilna sprječavanjem spajanja i odvajanja disperzne faze (kapljica jedne tekućine) od kontinuirane faze (okolne tekućine). Za postizanje stabilnosti emulzija potrebno je uzeti u obzir nekoliko ključnih točaka:
- Emulgatori (tenzidi):
– Uloga: Emulgatori su molekule koje imaju i hidrofilne (privlače vodu) i hidrofobne (odbijaju vodu) krajeve.
– Akcijski: Oni smanjuju površinsku napetost između dviju tekućina koje se ne miješaju i stvaraju zaštitni sloj oko kapljica, sprječavajući njihovo spajanje.
– Primjeri: Lecitin, polisorbati i natrijev stearoil laktilat. - Mehaničke metode:
Visokoučinkovito miješanje: Korištenje miksera ili homogenizatora s velikim smicanjem za razbijanje kapljica na manje veličine, povećanje površine i povećanje stabilnosti. Sonikatori tipa sonde izvrsna su i vrlo pouzdana metoda koja koristi sonomehaničke sile smicanja. Ove ultrazvučne sile smicanja razbijaju velike kapljice u sitne kapljice i miješaju faze koje se ne miješaju u stabilnu emulziju. - Modifikatori viskoznosti:
Zgušnjivači: Povećanje viskoznosti kontinuirane faze može usporiti kretanje kapljica, smanjujući vjerojatnost spajanja.
– Primjeri: Ksantan guma, guar guma i karboksimetil celuloza. - Sredstva za stabilizaciju:
– polimeri: Polimeri mogu pružiti prostornu stabilizaciju stvaranjem debelog sloja oko kapljica.
– Primjeri: Pektin, želatina i određeni proteini. - Elektrostatička stabilizacija:
– Naplatiti: Neki emulgatori prenose električni naboj na površinu kapljica, uzrokujući njihovo međusobno odbijanje i time smanjujući koalescenciju.
– Primjeri: Natrijev kazeinat i sojin lecitin. - Kontrola temperature:
– Hlađenje: Smanjenje temperature može povećati viskoznost kontinuirane faze i smanjiti kinetičku energiju kapljica, sprječavajući koalescenciju.
– Izbjegavanje razdvajanja faza: Pazite da temperatura ostane unutar raspona koji sprječava odvajanje komponenti. - Dodaci:
– Antioksidansi: Sprječavanje oksidacije može pomoći u održavanju cjelovitosti emulgatora i drugih komponenti.
– Kelatna sredstva: Vezivanje metalnih iona koji bi inače mogli destabilizirati emulziju.
Primjenom prave tehnike emulgiranja, emulzije se mogu učiniti stabilnima, osiguravajući da smjesa ostane homogena i zadrži svoja željena svojstva tijekom vremena.
Stabilizirajući emulgatori
Općenito, emulzije zahtijevaju stabilizaciju pomoću sredstva za emulgiranje ili surfaktanta. Emulgatori su amfifilni – privlače i vodu i masne tvari. To znači da imaju hidrofilna (vole vodu) i hidrofobna (vole ulja) svojstva, što im omogućuje interakciju s uljnom i vodenom fazom emulzije. Hidrofilni dio molekule emulgatora veže se za molekule vode, dok se hidrofobni dio veže za molekule ulja.
Okružujući kapljice ulja molekulama emulgatora, emulgator stvara zaštitni sloj oko kapljica koji sprječava njihov međusobni kontakt i koaleskciju (spajanje) u veće kapljice. To pomaže u održavanju stabilnosti emulzije i sprječava odvajanje.
Kako koalescencija kapljica nakon razbijanja utječe na konačnu raspodjelu veličine kapljica, koriste se učinkovito stabilizirajući emulgatori za održavanje konačne raspodjele veličine kapljica na razini koja je jednaka raspodjeli odmah nakon razbijanja kapljica u ultrazvučnoj zoni raspršivanja. Stabilizatori zapravo dovode do poboljšanog prekidanja kapljica pri konstantnoj gustoći energije.
Primjeri često korištenih emulgatora uključuju lecitin (koji se nalazi u žumanjcima jajeta i sojinim zrnima), mono- i digliceride, polisorbat 80 i natrijev stearoil laktilat.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.