Emulgeálás ultrahangos kavitációval
A wide range of intermediate and consumer products, such as cosmetics and skin lotions, pharmaceutical ointments, varnishes, paints and lubricants and fuels are based wholly or in part on emulsions. Hielscher manufactures the world’s largest industrial ultrasonic liquid processors for the efficient emulsifying of large volume streams in production plants.
ultrahangos emulgeálás
A laboratóriumban az ultrahang emulgeáló ereje már régóta ismert és alkalmazott az ultrahangos homogenizáláshoz és emulgeáláshoz kapcsolódó különböző előnyök miatt. A megbízható ultrahangos emulgeálás ultrahangos szondák, úgynevezett sonotrodes használatán alapul. Az ultrahangos szondán keresztül a nagy intenzitású ultrahang folyadékokhoz kapcsolódik, és akusztikus kavitációt hoz létre. Az ultrahangos vagy akusztikus kavitáció nagy nyíróerőket generál, amelyek biztosítják a szükséges energiát a nagy cseppek nanoméretű cseppekig történő megzavarásához. Ezáltal két vagy több folyékony fázist összekeverünk egy egységes szubmikron- vagy nanoemulzióba.
Az ultrahangos áramlási cellák használata lehetővé teszi a nanoemulziók lineáris méretezését az ipari termeléshez, amely nagy térfogatáramokat dolgoz fel folyamatos áramlással.
MultiPhaseCavitator: Az egyedülálló Hielscher áramlási cella betét MPC48 egy erőteljes tartozék, amely kompatibilis a Hielscher ultrahangos áramlási cellás reaktorokkal. Az MPC48 betét segítségével a diszpergált fázist 48 kanülön keresztül vékony folyadékszálakként injektáljuk az ultrahangos forró zónába, ahol a diszpergált fázist és a folyamatos fázist apró cseppekként nanoemulzióba keverjük. További információ az MPC48 ultrahangos áramlási cella betétről!
Az ultrahangos készülékek megbízhatóak és hatékonyak szubmikron és nano méretű emulziók előállításában.
Az ultrahangos emulgeálás előnyei
Az ultrahangos emulgeálás szonda típusú ultrahangos készülékkel számos előnnyel jár más emulgeáló technikákkal szemben:
- Jobb emulzióstabilitás: Az ultrahangos emulgeálás kisebb cseppméreteket és egyenletesebb cseppeloszlást eredményez, ami javítja az emulzió stabilitását és hosszabb eltarthatósági időt. A szubmikron és nano méretű cseppek megbízhatóan előállíthatók teljesítmény ultrahanggal.
- Energiahatékonyság: Az ultrahangos emulgeálás kevesebb energiát igényel, mint más emulgeálási módszerek, így energiahatékonyabb folyamat.
- Méretezhetőség: Az ultrahangos emulgeálás könnyen méretezhető felfelé vagy lefelé a szükséges térfogattól függően, így sokoldalú folyamat mind laboratóriumi, mind ipari alkalmazásokhoz.
- Időtakarékos: Az ultrahangos emulgeálás nagyon gyors folyamat lehet, az emulziók másodpercek és percek alatt képződnek, a folyadékoktól, a térfogattól és a berendezéstől függően.
- A felületaktív anyagok iránti igény csökkentése: Az ultrahangos emulgeálás csökkentheti a felületaktív anyagok szükségességét, amelyek gyakran szükségesek az emulziók stabilizálásához. Csökkentett cseppméret esetén azonban a részecske felülete megnő, és nagyobb területet kell felületaktív anyaggal lefedni. Az ultrahangos kezelés kompatibilis szinte bármilyen felületaktív anyaggal, beleértve az alternatív és új emulgeálószereket is.
- Minimális és szabályozható hőtermelés: Az ultrahangos emulgeálás nem termikus folyamat, és a feldolgozás során a hőtermelés elkerülhető vagy kis mértékben csökkenthető. Ezáltal csökken az érzékeny vegyületek vagy összetevők termikus lebomlásának kockázata.
Az ultrahangos emulgeálás előnyei szonda típusú ultrahangos készülékkel kiváló választás az emulgeáláshoz számos területen, beleértve az élelmiszereket és italokat, gyógyszereket, kozmetikumokat, finom vegyszereket és üzemanyagokat.
További információ ultrahangos majonéz emulgeálás!
További információ a paraffinviasz emulziók előállításáról szonikálással!
További információ Víz a dízelben emulziók ultrahanggal előállítva!
Olaj-víz (O? W) emulzió ultrahangos előkészítése (vörös víz? sárga olaj). Néhány másodperces szonikálás a különálló víz? olaj fázisokat finom emulzióvá alakítja.
Az alábbi videó bemutatja az olaj (sárga) vízbe (piros) történő emulgeálási folyamatát az UP400S laboratóriumi ultrahangos készülék használatával.
Mi az emulzió?Az emulziók két vagy több nem elegyedő folyadék diszperziói. A rendkívül intenzív ultrahang biztosítja a folyadékfázis (diszpergált fázis) kis cseppekben történő diszpergálásához szükséges energiát egy második fázisban (folyamatos fázis). A diszpergáló zónában az imploding kavitációs buborékok intenzív lökéshullámokat okoznak a környező folyadékban, és nagy folyadéksebességű folyadéksugarak képződését eredményezik.
A miniemulziók, amelyek hatékonyan létrehozhatók ultrahangos kezeléssel, fokozzák a kémiai reakciókat. Makroemulziós polimerizáció (a) versus miniemulziós polimerizáció (b) [Schork et al. 2005: 136]
Nano-emulziók – Teljesítmény alkalmazás ultrahangos készülékek
A nanoemulziók olyan cseppeket tartalmazó emulziók, amelyek általában kisebbek, mint 100 nanométer. A nanoemulziók számos előnyt kínálnak a hagyományos emulziókkal szemben, beleértve az egyedi funkcionális tulajdonságokat, a nagyobb stabilitást, átláthatóságot stb.
Az ultrahangos kezelés felülmúlja a hagyományos emulgeálási technológiákat, különösen a nanoemulziók kialakulása tekintetében. Ennek oka az ultrahang rendkívül hatékony és energiaigényes működési elve.
Az ultrahangos emulgeálás működési elve
Az ultrahangos emulgeálási folyamatok az akusztikus kavitáció erőit használják. Az akusztikus kavitáció a kis buborékok kialakulásának, növekedésének és implozív összeomlásának jelenségére utal nagy intenzitású ultrahanghullámoknak kitett folyékony közegben. Ezeknek a buborékoknak az implóziója intenzív helyi nyomás- és hőmérséklet-gradienseket generál, amelyek nagy nyíróerőket, lökéshullámokat és mikrofúvókákat hozhatnak létre, amelyek nagy részecskéket bonthatnak le és kisebbekre agglomerálódhatnak. A bal oldali kép ultrahangos kavitációt mutat be az UIP1000hdT (1000 watt) ultrahangos szonda szondáján folyadékkal töltött üvegoszlopban.
Az emulgeálásban és a nanoemulgeálásban az akusztikus kavitáció intenzitása kritikus szerepet játszik az emulzióban lévő cseppek méretének csökkentésében. A kavitációs buborékok implozív összeomlása erős nyíróerőket hozhat létre, amelyek a nagyobb cseppeket kisebbekre bontják. Ezenkívül a kavitáció által generált helyi nyomás- és hőmérséklet-gradiensek elősegíthetik az új cseppek képződését és stabilizálhatják az emulziót.
Az akusztikus kavitáció egyedülálló aspektusa az a képessége, hogy lokalizált és intenzív energiabevitelt biztosít a folyékony közeghez, anélkül, hogy nagy mechanikai vagy termikus igénybevételre lenne szükség. Ez vonzó technikává teszi a nanoemulgeáláshoz, mivel csökkentheti az emulgeálási folyamathoz szükséges energiabevitelt, miközben kisebb cseppméretet és keskenyebb cseppméret-eloszlást ér el.
Ezeknek a pontosan szabályozható ultrahangos erőknek köszönhetően az akusztikus kavitáció hatékony eszköz a nano-emulgeáláshoz. Lokalizált és intenzív energiabevitel generálásának képessége lehetővé teszi a nagyobb cseppek lebontását, szubmikron és nano méretűeket képezve nagyon nagy hatékonysággal.
Az olajban vízben (vízfázis) és a víz olajban (olajfázis) emulziókon végzett vizsgálatok kimutatták az energiasűrűség és a cseppméret (pl. Sauter átmérő) közötti összefüggést. Egyértelmű tendencia mutatkozik a kisebb cseppméret növekedésére az energiasűrűség növelése mellett (Kattintson a jobb oldali grafikára). Megfelelő energiasűrűségi szinteken az ultrahang könnyen és megbízhatóan elérheti az átlagos cseppméreteket a nano-tartományban.
Ultrahangos szondák a hatékony emulgeáláshoz
A Hielscher széles választékát kínálja szonda típusú ultrahangos készülékeknek és tartozékoknak a folyadékok hatékony emulgeálásához és diszpergálásához kötegelt és átfolyó üzemmódban.
A rendszerek több ultrahangos processzorból állnak, amelyek mindegyike legfeljebb 16 000 watt, biztosítja a szükséges kapacitást ahhoz, hogy ezt a laboratóriumi alkalmazást hatékony gyártási módszerré alakítsa, hogy finoman diszpergált emulziókat kapjon folyamatos áramlásban vagy tételben – achieving results comparable to that of today’s best high-pressure homogenizers available, such as the new orifice valve. In addition to this high efficiency in the continuous emulsification, Hielscher ultrasonic devices require very low maintenance and are very easy to operate and to clean. The ultrasound does actually support the cleaning and rinsing. The ultrasonic power is adjustable and can be adapted to particular products and emulsification requirements. Special flow cell reactors meeting the advanced CIP (clean-in-place) and SIP (sterilize-in-place) requirements are available, too.
A MultiSonoReactor MSR-4 egy ipari inline homogenizáló reaktor, amely nagy áteresztőképességű (nano)emulgeálási folyamatokhoz alkalmas.
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.5-től 1,5 ml-ig | n.a. | VialMagassugárzó | 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| 15–150 liter | 3–15 l/perc | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat!? Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Irodalom? Hivatkozások
- 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
A kifejezés meghatározása “emulzió”
Az emulzió két vagy több nem elegyedő folyadék, például olaj és víz keveréke.
Az emulziók lehetnek olaj a vízben (ahol az olajcseppek vízben diszpergálódnak) vagy víz az olajban (ahol a vízcseppek olajban diszpergálódnak). Az emulziókat számos alkalmazásban használják, beleértve az élelmiszereket (például salátaönteteket és majonézt), kozmetikumokat (például testápolókat és krémeket) és gyógyszereket (például vakcinákat).
Az emulgeálószer úgy működik, hogy csökkenti az emulzióban lévő két nem elegyedő anyag (például olaj és víz) közötti felületi feszültséget. Ez csökkenti a két anyag szétválási hajlamát, és lehetővé teszi számukra, hogy stabil keveréket képezzenek.
Hogyan válik stabillá az emulzió?
Az emulziót stabillá tesszük azáltal, hogy megakadályozzuk a diszpergált fázis (egy folyadék cseppjei) összeolvadását és elválasztását a folyamatos fázistól (a környező folyadéktól). Számos kulcsfontosságú pontot kell figyelembe venni az emulziók stabilitásának eléréséhez:
- Emulgeálószerek (felületaktív anyagok):
– Szerep: Az emulgeálószerek olyan molekulák, amelyek hidrofil (vízvonzó) és hidrofób (víztaszító) végekkel rendelkeznek.
– Akció: Csökkentik a két nem elegyedő folyadék közötti felületi feszültséget, és védőréteget képeznek a cseppek körül, megakadályozva azok összeolvadását.
– Példák: Lecitin, poliszorbátok és nátrium-sztearoil-laktilát. - Mechanikai módszerek:
Nagy teljesítményű keverés: Nagy nyíróerejű keverők vagy homogenizátorok használata a cseppek kisebb méretűre bontásához, növelve a felületet és növelve a stabilitást. A szonda típusú szonda típusú szonikátorok kiváló és nagyon megbízható módszer a sonomechanical nyíróerők alkalmazásával. Ezek az ultrahangos nyíróerők nagy cseppeket bontanak apró cseppekké, és a nem elegyedő fázisokat stabil emulzióvá keverik. - Viszkozitás módosítók:
Sűrítőanyagok: A folyamatos fázis viszkozitásának növelése lelassíthatja a cseppek mozgását, csökkentve a koaleszcencia valószínűségét.
– Példák: Xantángumi, guárgumi és karboximetil-cellulóz. - Stabilizáló szerek:
– Polimerek: A polimerek sztérikus stabilizálást biztosíthatnak azáltal, hogy vastag réteget képeznek a cseppek körül.
– Példák: Pektin, zselatin és bizonyos fehérjék. - Elektrosztatikus stabilizálás:
– Vád: Egyes emulgeálószerek elektromos töltést adnak a cseppek felületére, ami taszítja egymást, és ezáltal csökkenti a koaleszcenciát.
– Példák: Nátrium-kazeinát és szójalecitin. - Hőmérséklet-szabályozás:
– Hűtés: A hőmérséklet csökkentése növelheti a folyamatos fázis viszkozitását és csökkentheti a cseppek kinetikus energiáját, megakadályozva a koaleszcenciát.
– A fázisszétválasztás elkerülése: Annak biztosítása, hogy a hőmérséklet olyan tartományon belül maradjon, amely megakadályozza az alkatrészek szétválását. - Adalékanyagok:
– Antioxidánsok: Az oxidáció megelőzése segíthet megőrizni az emulgeálószer és más összetevők integritását.
– Kelátképző reagensek: Fémionok kötése, amelyek egyébként destabilizálhatnák az emulziót.
A megfelelő emulgeálási technikát alkalmazva az emulziók stabillá tehetők, biztosítva, hogy a keverék homogén maradjon és idővel megőrizze kívánt tulajdonságait.
Stabilizáló emulgeálószerek
Általában az emulziókat stabilizálni kell emulgeálószerrel vagy felületaktív anyaggal. Az emulgeálószerek amfifilek – vonzzák mind a vizet, mind a zsíros anyagokat. Ez azt jelenti, hogy hidrofil (vízszerető) és hidrofób (olajszerető) tulajdonságokkal rendelkeznek, ami lehetővé teszi számukra, hogy kölcsönhatásba lépjenek az emulzió olaj- és vízfázisaival. Az emulgeálószer molekula hidrofil része a vízmolekulákhoz kapcsolódik, míg a hidrofób rész az olajmolekulákhoz kapcsolódik.
Az olajcseppeket emulgeálószer molekulákkal körülvéve az emulgeálószer védőréteget hoz létre a cseppek körül, amely megakadályozza, hogy azok érintkezzenek egymással és összeolvadjanak (összekapcsolódjanak), hogy nagyobb cseppeket képezzenek. Ez segít megőrizni az emulziót és megakadályozza az elválasztást.
Mivel a cseppek összeolvadása a megszakítás után befolyásolja a végső cseppméret-eloszlást, hatékonyan stabilizáló emulgeálószereket használnak a végső cseppméret-eloszlás fenntartására olyan szinten, amely megegyezik az eloszlással közvetlenül a cseppszakadás után az ultrahangos diszpergáló zónában. A stabilizátorok valójában jobb cseppzavart okoznak állandó energiasűrűség mellett.
Az általánosan használt emulgeálószerek közé tartozik például a lecitin (amely megtalálható a tojássárgájában és a szójababban), mono- és digliceridek, poliszorbát 80 és nátrium-sztearoil-laktilát.
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.