Emulgiranje ultrazvučnom kavitacijom

Širok raspon međuproizvoda i potrošačkih proizvoda – poput kozmetike, losiona za kožu, farmaceutskih masti, lakova, boja, maziva i goriva – u cijelosti se ili djelomično temelji na emulzijama.
Hielscher proizvodi najveće industrijske ultrazvučne procesore za tekućine na svijetu za učinkovito emulgiranje tokova velikog volumena u proizvodnim postrojenjima.

Kako djeluje ultrazvučno emulgiranje

Laboratorijske primjene: U laboratorijskim uvjetima sposobnost ultrazvuka da emulgira odavno je poznata i primjenjuje se zbog raznih prednosti ultrazvučne homogenizacije i emulgiranja.

Tehnologija

Pouzdano ultrazvučno emulgiranje temelji se na upotrebi ultrazvučnih sondi, poznatih i kao sonotrode. Proces se odvija na sljedeći način:

1. Prijenos ultrazvuka: Putem ultrazvučne sonde ultrazvuk visokog intenziteta prenosi se u tekućine, stvarajući akustičnu kavitaciju.
2. Učinak kavitacije: Ultrazvučna ili akustična kavitacija stvara velike smične sile koje osiguravaju potrebnu energiju za razbijanje velikih kapljica u kapljice nanometarskih dimenzija.
3. Nastanak emulzije: Dvije ili više tekućih faza miješaju se u jednoliku submikrometarsku emulziju ili nanoemulziju.

 
Povećanje razmjera na industrijsku razinu primjenom protočne tehnologije: Upotreba ultrazvučnih protočnih ćelija omogućuje linearno povećanje razmjera do industrijske proizvodnje nanoemulzija uz obradu tokova velikog volumena u kontinuiranom protoku.

Prednosti ultrazvučnog emulgiranja

Ultrazvučno emulgiranje pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge tehnike emulgiranja:

1. Poboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvučnim emulgiranjem nastaju manje kapljice s ujednačenijom raspodjelom, što rezultira poboljšanom stabilnošću emulzije i duljim rokom trajanja. Kapljice submikrometarskih i nanometarskih dimenzija mogu se pouzdano proizvesti primjenom ultrazvuka velike snage.
2. Energetska učinkovitost: Ultrazvučno emulgiranje zahtijeva manje energije od drugih metoda emulgiranja, što ga čini energetski učinkovitijim procesom.
3. Prilagodljivost razmjera: Razmjer ultrazvučnog emulgiranja može se lako povećati ili smanjiti ovisno o potrebnom volumenu, što ga čini svestranim procesom za laboratorijske i industrijske primjene.
4. Ušteda vremena: Ultrazvučno emulgiranje može biti vrlo brz proces, pri čemu emulzije nastaju u razdoblju od nekoliko sekundi do nekoliko minuta, ovisno o tekućinama, volumenu i opremi.
5. Smanjena potreba za površinski aktivnim tvarima: Ultrazvučno emulgiranje može smanjiti potrebu za površinski aktivnim tvarima, koje su često potrebne za stabilizaciju emulzija. Međutim, smanjenjem veličine kapljica povećava se površina čestice pa površinski aktivna tvar mora prekriti veću površinu. Ultrazvučna obrada kompatibilna je s gotovo svim vrstama površinski aktivnih tvari, uključujući alternativne i nove emulgatore.
6. Minimalno stvaranje topline uz mogućnost kontrole: Ultrazvučno emulgiranje netoplinski je proces te se stvaranje topline tijekom obrade može izbjeći ili u maloj mjeri smanjiti. Time se smanjuje rizik od toplinske razgradnje osjetljivih spojeva ili sastojaka.

Prednosti ultrazvučnog emulgiranja pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom čine ga izvrsnim izborom za emulgiranje u raznim područjima, uključujući hranu i pića, farmaceutske proizvode, kozmetiku, fine kemikalije i goriva.
Pročitajte više o ultrazvučnom emulgiranju majoneze!
Pročitajte više o proizvodnji emulzija parafinskog voska primjenom sonikacije!
Pročitajte više o emulzijama vode u dizelu proizvedenima primjenom ultrazvuka!

Mjerenje DLS-om pokazuje ujednačenu raspodjelu veličine kapljica ultrazvučno proizvedene emulzije ružina ulja u vodi.

Što je emulzija?
Emulzije su disperzije dviju ili više tekućina koje se međusobno ne miješaju. Ultrazvuk vrlo visokog intenziteta osigurava snagu potrebnu za dispergiranje tekuće faze (dispergirane faze) u obliku sitnih kapljica u drugoj fazi (kontinuiranoj fazi). U zoni dispergiranja implozija kavitacijskih mjehurića uzrokuje intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i dovodi do nastanka tekućinskih mlazova velike brzine.

Nanoemulzije – moćna primjena sonikatora

Nanoemulzije su emulzije s kapljicama čija je veličina obično manja od 100 nanometara. Nanoemulzije nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne emulzije, uključujući jedinstvena funkcionalna svojstva, veću stabilnost, prozirnost itd.
Sonikacija nadmašuje tradicionalne tehnologije emulgiranja, osobito kada je riječ o stvaranju nanoemulzija. To proizlazi iz vrlo učinkovitog i energetski intenzivnog načela djelovanja ultrazvuka.

 
Videozapis u nastavku prikazuje postupak emulgiranja ulja (žuto) u vodi (crveno) s pomoću laboratorijskog sonikatora UP400S.

Načelo djelovanja ultrazvučnog emulgiranja

Akustična kavitacija: pokretačka sila ultrazvučnog emulgiranja i nanoemulgiranja
Ultrazvučno emulgiranje temelji se na snažnim učincima akustične kavitacije, pojave koja nastaje kada ultrazvučni valovi visokog intenziteta prolaze kroz tekućinu. Tijekom tog procesa nastaju mikroskopski mjehurići koji rastu, a zatim se silovito urušavaju. Implozijsko urušavanje tih mjehurića stvara ekstremne lokalne uvjete, uključujući izrazite gradijente tlaka i temperature, velike smične sile, udarne valove i mikromlazove tekućine. Te sile učinkovito razbijaju velike čestice, kapljice i aglomerate u mnogo manje strukture.
Slika s lijeve strane prikazuje akustičnu kavitaciju koju stvara ultrazvučni procesor UIP1000hdT (1000 W) tijekom rada u staklenoj koloni ispunjenoj tekućinom.

Kako akustična kavitacija poboljšava emulgiranje

I pri emulgiranju i pri nanoemulgiranju intenzitet kavitacije ključan je čimbenik u određivanju veličine kapljica. Pri urušavanju kavitacijskih mjehurića nastale smične sile razbijaju veće kapljice u sve manje. Istodobno, lokalne promjene tlaka i temperature potiču stvaranje novih kapljica te pomažu stabilizirati emulziju.
Ta kombinacija razbijanja kapljica i stabilizacije omogućuje ultrazvučnoj tehnologiji proizvodnju izrazito ujednačenih emulzija s raspodjelama veličine iznimno sitnih kapljica.
 

Raspodjela veličine kapljica emulzija vode i maslinova ulja pripremljenih (a) klasičnom metodom homogenizacije (b) metodom ultrazvučne homogenizacije (s pomoću uređaja UP400S), s MD-om, WPI-jem i njihovom smjesom, s udjelom suhe tvari od 40% i udjelom ulja od 9% (w/w). Ultrazvučno emulgiranje rezultira znatno manjim kapljicama, manjim izdvajanjem kremastog sloja i boljom ukupnom stabilnošću emulzije.
(istraživanje i grafikoni: Zungur et al., 2015)

Ultrazvučne sonde za učinkovito emulgiranje

Hielscher nudi širok raspon sonikatora sa sondom i pribora za učinkovito emulgiranje i dispergiranje tekućina u šaržnom i protočnom načinu rada.
Sustavi koji se sastoje od više ultrazvučnih procesora, svaki snage do 16.000 vata, pružaju kapacitet potreban za pretvaranje ove laboratorijske primjene u učinkovitu proizvodnu metodu za dobivanje fino dispergiranih emulzija u kontinuiranom protoku ili u šarži – uz postizanje rezultata usporedivih s rezultatima najboljih danas dostupnih visokotlačnih homogenizatora, kao što je novi ventil s otvorom. Uz tu visoku učinkovitost pri kontinuiranom emulgiranju, ultrazvučni uređaji Hielscher zahtijevaju vrlo malo održavanja te su vrlo jednostavni za rukovanje i čišćenje. Ultrazvuk doista potpomaže čišćenje i ispiranje. Ultrazvučna snaga može se podešavati i prilagoditi pojedinim proizvodima i zahtjevima emulgiranja. Dostupni su i posebni reaktori s protočnim ćelijama koji zadovoljavaju napredne zahtjeve za CIP (čišćenje na mjestu) i SIP (sterilizaciju na mjestu).

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je snažan dodatak kompatibilan s Hielscher ultrazvučnim reaktorima s protočnim ćelijama: uporabom umetka MPC48 dispergirana faza ubrizgava se kroz 48 kanila u obliku tankih tekućih niti u vruću ultrazvučnu zonu, gdje se dispergirana i kontinuirana faza miješaju u nanoemulziju sa sićušnim kapljicama.
Otkrijte kako MultiPhaseCavitator poboljšava emulgiranje!

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.
• The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics