Emulgeálás ultrahangos kavitációval
Közbenső és fogyasztási cikkek széles választéka – például kozmetikumok, bőrápoló krémek, gyógyászati kenőcsök, lakkok, festékek, kenőanyagok és üzemanyagok – teljes egészében vagy részben emulziókon alapulnak.
A Hielscher gyártja a világ legnagyobb ipari ultrahangos folyadékfeldolgozó berendezéseit, amelyek nagy térfogatú folyamatok hatékony emulgeálására szolgálnak a gyártóüzemekben.
Hogyan működik az ultrahangos emulgeálás?
Laboratóriumi alkalmazások: Laboratóriumi körülmények között az ultrahang emulgeáló hatását már régóta ismerik és alkalmazzák, mivel az ultrahangos homogenizálásnak és emulgeálásnak számos előnye van.
A technológia
A megbízható ultrahangos emulgeálás az ultrahangos érzékelők, más néven szonotródák használatán alapul. A folyamat a következőképpen zajlik:
- Ultrahangos kapcsolóanyag: Az ultrahangos érzékelőn keresztül nagy intenzitású ultrahang jut a folyadékokba, ami akusztikus kavitációt idéz elő.
- Kavitációs hatás: Az ultrahangos vagy akusztikus kavitáció nagy nyíróerőket hoz létre, amelyek biztosítják a szükséges energiát ahhoz, hogy a nagy cseppeket nanoméretű cseppekre bontsák.
- Emulzióképződés: Két vagy több folyékony fázist kevernek össze egyenletes, szubmikron- vagy nanoemulzióvá.
Ipari méretű kiterjesztés átfolyó technológiával: Az ultrahangos áramlási cellák alkalmazása lehetővé teszi a nanoemulziók ipari gyártásra történő lineáris méretnövelését, nagy térfogatú folyadékáramok folyamatos átfolyásos feldolgozásával.
Tiszta nanoemulzió előállítása ultrahanggal az UP400ST ultrahangos készülék segítségével.
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!
A DLS-mérés az ultrahanggal előállított rózsaolaj-víz emulzió egyenletes cseppméret-eloszlását mutatja.
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.
Nano-emulziók – A szonikátorok energiaellátása
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 alábbi videó bemutatja az olaj (sárga) vízbe (piros) történő emulgeálási folyamatát az UP400S laboratóriumi ultrahangos készülék használatával.
Az ultrahangos emulgeálás működési elve
Akusztikus kavitáció: az ultrahangos emulgeálás és a nanoemulgeálás mozgatórugója
Az ultrahangos emulgeálás az akusztikus kavitáció erőteljes hatásain alapul, amely jelenség akkor következik be, amikor nagy intenzitású ultrahanghullámok haladnak át egy folyadékon. A folyamat során mikroszkopikus buborékok keletkeznek, növekednek, majd hevesen összeomlanak. Ezeknek a buborékoknak az implozív összeomlása rendkívüli helyi körülményeket eredményez, beleértve az intenzív nyomás- és hőmérséklet-gradienseket, a nagy nyíróerőket, a lökéshullámokat és a folyadék mikrosugarakat. Ezek az erők hatékonyan bontják le a nagy részecskéket, cseppeket és agglomerátumokat sokkal kisebb struktúrákra.
A bal oldali képen az UIP1000hdT ultrahangos feldolgozó (1000 W) által folyadékkal töltött üvegoszlopban működés közben keltett akusztikus kavitáció látható.
Hogyan javítja az akusztikus kavitáció az emulgeálást
Mind az emulgeálás, mind a nanoemulgeálás során a kavitációs intenzitás kulcsfontosságú tényező a cseppméret meghatározásában. A kavitációs buborékok összeomlásakor a keletkező nyíróerők a nagyobb cseppeket egyre kisebb cseppekre darabolják. Ugyanakkor a helyi nyomás- és hőmérséklet-változások elősegítik az új cseppek kialakulását, miközben hozzájárulnak az emulzió stabilizálásához.
A cseppek felbomlásának és stabilizálásának ez a kombinációja lehetővé teszi az ultrahangos technológiának, hogy rendkívül egyenletes emulziókat állítson elő, amelyek cseppméret-eloszlása kivételesen finom.
A (a) hagyományos homogenizálási módszerrel, valamint (b) ultrahangos homogenizálással (UP400S készülékkel) előállított víz-olívaolaj emulziók cseppméret-eloszlása, MD, WPI és ezek keveréke felhasználásával, 40% szárazanyag-tartalommal és 9% olajtartalommal (tömegszázalékban). Az ultrahangos emulgeálás lényegesen kisebb cseppeket, kevesebb habzást és jobb általános emulzióstabilitást eredményez.
(tanulmány és grafikonok: Zungur et al., 2015)
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 – A ma elérhető legjobb nagynyomású homogenizátorokéhoz, például az új nyílásszelephez hasonló eredmények elérése. A folyamatos emulgeálás nagy hatékonysága mellett a Hielscher ultrahangos készülékek nagyon alacsony karbantartást igényelnek, és nagyon könnyen kezelhetők és tisztíthatók. Az ultrahang valóban támogatja a tisztítást és az öblítést. Az ultrahangos teljesítmény állítható, és bizonyos termékekhez és emulgeálási követelményekhez igazítható. Speciális áramlási cellás reaktorok is rendelkezésre állnak, amelyek megfelelnek a fejlett CIP (clean-in-place) és SIP (sterilize-in-place) követelményeknek.
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!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
A MultiPhaseCavitator egy nagy teljesítményű kiegészítő, amely kompatibilis a Hielscher ultrahangos áramlási cellás reaktorokkal: az MPC48 betét használatával a diszpergált fázist 48 kanülön keresztül vékony folyadékcsíkok formájában juttatják az ultrahangos hatóterületbe, ahol a diszpergált és a folytonos fázis apró cseppek formájában keveredik össze, és nanoemulziót képez.
Fedezze fel, hogyan javítja az emulgeálást a MultiPhaseCavitator!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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 stabilizálhatók, biztosítva, hogy a keverék homogén maradjon, és idővel megőrizze a 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.
A miniemulziók, amelyek hatékonyan létrehozhatók ultrahangos kezeléssel, fokozzák a kémiai reakciókat. Makroemulziós polimerizáció (a) versus miniemulziós polimerizáció (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.