Emulgeálás ultrahangos kavitációval
A köztes és fogyasztási termékek széles köre – például kozmetikumok, testápolók, gyógyszerészeti kenőcsök, lakkok, festékek, kenőanyagok és üzemanyagok – teljes egészében vagy részben emulziókon alapul.
A Hielscher gyártja a világ legnagyobb ipari ultrahangos folyadékfeldolgozó berendezéseit a nagy térfogatáramú folyadékok hatékony emulgeálására a termelőüzemekben.
Hogyan működik az ultrahangos emulgeálás?
Laboratóriumi alkalmazások: Laboratóriumi körülmények között az ultrahang emulgeáló hatása régóta ismert és alkalmazott az ultrahangos homogenizáláshoz és emulgeáláshoz kapcsolódó számos előnynek köszönhetően.
A technológia
A megbízható ultrahangos emulgeálás ultrahangos szondák, más néven szonotródák használatán alapul. A folyamat a következőképpen működik:
- Az ultrahang becsatolása: Az ultrahangos szondán keresztül nagy intenzitású ultrahangot csatolnak be a folyadékokba, akusztikus kavitációt létrehozva.
- A kavitáció hatása: Az ultrahangos vagy akusztikus kavitáció nagy nyíróerőket hoz létre, amelyek biztosítják a nagy cseppek nanoméretű cseppekké történő felbontásához szükséges energiát.
- Emulzióképződés: Két vagy több folyadékfázist egyenletes szubmikronos emulzióvá vagy nanoemulzióvá kevernek össze.
Ipari méretnövelés átfolyásos technológiával: Az ultrahangos átfolyó cellák használata lehetővé teszi a nanoemulziók előállításának lineáris méretnövelését az ipari termelés szintjére, nagy térfogatáramú folyadékok folyamatos átfolyásos feldolgozásával.
Átlátszó nanoemulzió ultrahangos előállítása az UP400ST ultrahangos készülékkel.
Az ultrahangos emulgeálás előnyei
A szondás ultrahangos készülékkel végzett ultrahangos emulgeálás számos előnyt kínál más emulgeálási technikákhoz képest:
- Jobb emulzióstabilitás: Az ultrahangos emulgeálás kisebb cseppméreteket és egyenletesebb cseppeloszlást eredményez, ami javítja az emulzió stabilitását és hosszabb eltarthatóságot biztosít. Nagy teljesítményű ultrahanggal megbízhatóan állíthatók elő szubmikronos és nanoméretű cseppek.
- Energiahatékonyság: Az ultrahangos emulgeálás kevesebb energiát igényel, mint más emulgeálási módszerek, így energiahatékonyabb folyamat.
- Méretezhetőség: Az ultrahangos emulgeálás léptéke a szükséges térfogattól függően könnyen növelhető vagy csökkenthető, így sokoldalúan alkalmazható mind laboratóriumi, mind ipari körülmények között.
- Időmegtakarítás: Az ultrahangos emulgeálás nagyon gyors folyamat lehet: a folyadékoktól, a térfogattól és a berendezéstől függően az emulziók néhány másodperc vagy perc alatt kialakulhatnak.
- Kisebb felületaktívanyag-igény: Az ultrahangos emulgeálás csökkentheti az emulziók stabilizálásához gyakran szükséges felületaktív anyagok iránti igényt. A cseppméret csökkenésével azonban nő a részecske felülete, így nagyobb felületet kell felületaktív anyaggal befedni. Az ultrahangos kezelés szinte bármilyen felületaktív anyaggal kompatibilis, beleértve az alternatív és újszerű emulgeálószereket is.
- Minimális és szabályozható hőképződés: Az ultrahangos emulgeálás nem termikus folyamat, és a feldolgozás közbeni hőképződés elkerülhető vagy kis mértékben csökkenthető. Ezáltal csökken az érzékeny vegyületek vagy összetevők hő okozta bomlásának kockázata.
A szondás ultrahangos készülékkel végzett ultrahangos emulgeálás előnyei kiváló választássá teszik ezt a módszert számos területen, többek között az élelmiszerek és italok, a gyógyszerek, a kozmetikumok, a finomvegyszerek és az üzemanyagok emulgeálásához.
Olvasson többet a majonéz ultrahangos emulgeálásáról!
Olvasson többet a paraffinviasz-emulziók ultrahangos kezeléssel történő előállításáról!
Olvasson többet az ultrahanggal előállított víz-a-dízelben emulziókról!
A DLS-mérés az ultrahanggal előállított rózsaolaj-a-vízben emulzió egyenletes cseppméret-eloszlását mutatja.
Mi az emulzió?Az emulziók két vagy több, egymással nem elegyedő folyadék diszperziói. A nagy intenzitású ultrahang biztosítja azt a teljesítményt, amely egy folyadékfázis (diszpergált fázis) apró cseppek formájában történő eloszlatásához szükséges egy másik fázisban (folytonos fázisban). A diszpergálási zónában a befelé összeomló kavitációs buborékok intenzív lökéshullámokat keltenek a környező folyadékban, és nagy áramlási sebességű folyadéksugarak kialakulását eredményezik.
Nanoemulziók – az ultrahangos készülékek nagy hatású alkalmazása
A nanoemulziók olyan emulziók, amelyekben a cseppek mérete jellemzően 100 nanométernél kisebb. A nanoemulziók számos előnyt kínálnak a hagyományos emulziókkal szemben, többek között egyedülálló funkcionális tulajdonságokat, nagyobb stabilitást, átlátszóságot stb.
Az ultrahangos kezelés felülmúlja a hagyományos emulgeálási technológiákat, különösen a nanoemulziók képzése terén. Ez az ultrahang rendkívül hatékony és nagy energiaintenzitású működési elvének köszönhető.
Az alábbi videó az olaj (sárga) vízbe (piros) történő emulgeálását mutatja be az UP400S laboratóriumi ultrahangos készülékkel.
Az ultrahangos emulgeálás működési elve
Akusztikus kavitáció: az ultrahangos emulgeálás és nanoemulgeálás hajtóereje
Az ultrahangos emulgeálás az akusztikus kavitáció erőteljes hatásain alapul. Ez a jelenség akkor lép fel, amikor nagy intenzitású ultrahanghullámok haladnak át egy folyadékon. A folyamat során mikroszkopikus buborékok keletkeznek, növekednek, majd hevesen összeomlanak. E buborékok befelé történő összeomlása szélsőséges helyi körülményeket hoz létre, többek között intenzív nyomás- és hőmérsékleti gradienseket, nagy nyíróerőket, lökéshullámokat és folyadék-mikrosugarakat. Ezek az erők hatékonyan bontják fel a nagy részecskéket, cseppeket és agglomerátumokat jóval kisebb struktúrákká.
A bal oldali kép a folyadékkal töltött üvegoszlopban működő UIP1000hdT ultrahangos feldolgozóberendezés (1000 W) által létrehozott akusztikus kavitációt szemlélteti.
Hogyan javítja az akusztikus kavitáció az emulgeálást?
Mind az emulgeálás, mind a nanoemulgeálás során a kavitáció intenzitása kulcsfontosságú tényező a cseppméret meghatározásában. A kavitációs buborékok összeomlásakor keletkező nyíróerők a nagyobb cseppeket egyre kisebb cseppekre bontják. Ezzel egyidejűleg a helyi nyomás- és hőmérséklet-változások elősegítik az új cseppek képződését, miközben az emulzió stabilizálását is támogatják.
A cseppek felbontásának és stabilizálásának ez a kombinációja lehetővé teszi, hogy az ultrahangos technológia rendkívül egyenletes emulziókat állítson elő, kivételesen finom cseppméret-eloszlással.
MD, WPI és ezek keverékének felhasználásával, (a) hagyományos homogenizálási módszerrel, illetve (b) ultrahangos homogenizálási módszerrel (az UP400S használatával) előállított víz–olívaolaj emulziók cseppméret-eloszlása, 40% szárazanyag-tartalommal és 9% olajtartalommal (w/w). Az ultrahangos emulgeálás jelentősen kisebb cseppeket, kisebb mértékű krémesedést és összességében jobb emulzióstabilitást eredményez.
(tanulmány és grafikonok: Zungur et al., 2015)
Ultrahangos szondák a hatékony emulgeáláshoz
A Hielscher szondás ultrahangos készülékek és tartozékok széles választékát kínálja a folyadékok hatékony emulgeálásához és diszpergálásához szakaszos és átfolyásos üzemmódban.
A több, egyenként akár 16 000 watt teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezésből álló rendszerek biztosítják azt a kapacitást, amely e laboratóriumi alkalmazás hatékony termelési módszerré alakításához szükséges, finoman diszpergált emulziók előállítására folyamatos áramlásban vagy szakaszos üzemben – a jelenleg elérhető legjobb nagynyomású homogenizátorokéhoz, például az új fojtónyílásos szelepéhez hasonló eredményeket elérve. A folyamatos emulgeálásban nyújtott nagy hatékonyság mellett a Hielscher ultrahangos készülékei nagyon kevés karbantartást igényelnek, és nagyon könnyen kezelhetők és tisztíthatók. Az ultrahang ténylegesen segíti a tisztítást és az öblítést. Az ultrahangos teljesítmény szabályozható, és az adott termékekhez, illetve emulgeálási követelményekhez igazítható. A magas szintű CIP (helyben történő tisztítás) és SIP (helyben történő sterilizálás) követelményeknek megfelelő speciális átfolyócellás reaktorok is rendelkezésre állnak.
A MultiSonoReactor MSR-4 olyan ipari, sorba épített homogenizáló reaktor, amely nagy feldolgozási kapacitású (nano-)emulgeálási folyamatokhoz alkalmas.
| Szakaszosan kezelt térfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | csoportba kapcsolt UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
A MultiPhaseCavitator egy nagy teljesítményű tartozék, amely kompatibilis a Hielscher ultrahangos átfolyócellás reaktoraival: az MPC48 betét használatával a diszpergált fázist 48 kanülön keresztül, vékony folyadékszálak formájában injektálják az ultrahangos forró zónába, ahol a diszpergált és a folytonos fázis apró cseppek formájában nanoemulzióvá keveredik.
Fedezze fel, hogyan javítja a MultiPhaseCavitator az emulgeálást!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Szakirodalom / 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
Hasznos tudnivalók
Az „emulzió” fogalmának meghatározása
Az emulzió két vagy több, egymással nem elegyedő folyadék, például olaj és víz keveréke.
Az emulziók lehetnek olaj-a-vízben típusúak (amikor az olajcseppek vízben vannak eloszlatva) vagy víz-az-olajban típusúak (amikor a vízcseppek olajban vannak eloszlatva). Az emulziókat számos alkalmazásban használják, többek között élelmiszerekben (például salátaöntetekben és majonézben), kozmetikumokban (például testápolókban és krémekben), valamint gyógyszerkészítményekben (például vakcinákban).
Az emulgeálószer úgy fejti ki hatását, hogy csökkenti az emulzióban lévő két, egymással nem elegyedő anyag (például olaj és víz) közötti felületi feszültséget. Ez csökkenti a két anyag szétválási hajlamát, és lehetővé teszi, hogy stabil keveréket alkossanak.
Hogyan tehető stabillá egy emulzió?
Az emulzió úgy tehető stabillá, hogy megakadályozzuk a diszpergált fázis (az egyik folyadék cseppjei) összeolvadását és elkülönülését a folytonos fázistól (a környező folyadéktól). Az emulziók stabilitásának eléréséhez több fontos szempontot kell figyelembe venni:
- Emulgeálószerek (felületaktív anyagok):
– Szerepük: Az emulgeálószerek olyan molekulák, amelyeknek hidrofil (vizet vonzó) és hidrofób (vizet taszító) végük is van.
– Hatásuk: Csökkentik a két, egymással 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 nyíróhatású keverők vagy homogenizátorok használata a cseppek kisebb méretűre bontására, növelve a felületet és javítva a stabilitást. A szondás ultrahangos készülékek kiváló és nagyon megbízható módszert kínálnak, amely szonomechanikai nyíróerőket alkalmaz. Ezek az ultrahangos nyíróerők a nagy cseppeket apró cseppekre bontják, és az egymással nem elegyedő fázisokat stabil emulzióvá keverik. - Viszkozitásmódosítók:
Sűrítőanyagok: A folytonos fázis viszkozitásának növelése lelassíthatja a cseppek mozgását, csökkentve az összeolvadás valószínűségét.
– Példák: Xantángumi, guargumi és karboximetil-cellulóz. - Stabilizálószerek:
– Polimerek: A polimerek sztérikus stabilizálást biztosíthatnak azáltal, hogy vastag réteget képeznek a cseppek körül.
– Példák: Pektin, zselatin és bizonyos fehérjék. - Elektrosztatikus stabilizálás:
– Töltés: Egyes emulgeálószerek elektromos töltést adnak a cseppek felületének, így azok taszítják egymást, és ezáltal csökken az összeolvadás.
– Példák: Nátrium-kazeinát és szójalecitin. - Hőmérséklet-szabályozás:
– Hűtés: A hőmérséklet csökkentése növelheti a folytonos fázis viszkozitását és csökkentheti a cseppek mozgási energiáját, megakadályozva az összeolvadást.
– A fázisszétválás elkerülése: Annak biztosítása, hogy a hőmérséklet olyan tartományban maradjon, amely megakadályozza az összetevők szétválását. - Adalékanyagok:
– Antioxidánsok: Az oxidáció megakadályozása segíthet megőrizni az emulgeálószer és a többi összetevő épségét.
– Kelátképző szerek: Olyan fémionok megkötése, amelyek egyébként destabilizálhatnák az emulziót.
A megfelelő emulgeálási technika alkalmazásával az emulziók stabillá tehetők, biztosítva, hogy a keverék homogén maradjon, és idővel is megőrizze kívánt tulajdonságait.
Stabilizáló emulgeálószerek
Az emulziók általában emulgeálószerrel vagy felületaktív anyaggal történő stabilizálást igényelnek. Az emulgeálószerek amfifilek – a vizet és a zsíros anyagokat egyaránt vonzzák. Ez azt jelenti, hogy hidrofil (vízkedvelő) és hidrofób (olajkedvelő) tulajdonságaik vannak, ami lehetővé teszi, hogy az emulzió olaj- és vízfázisával egyaránt kölcsönhatásba lépjenek. Az emulgeálószer molekulájának hidrofil része a vízmolekulákhoz, míg hidrofób része az olajmolekulákhoz kapcsolódik.
Az olajcseppeket emulgeálószer-molekulákkal körülvéve az emulgeálószer védőréteget hoz létre a cseppek körül, amely megakadályozza, hogy azok egymással érintkezzenek és összeolvadva (egyesülve) nagyobb cseppeket képezzenek. Ez segít az emulzió stabilitásának fenntartásában, és megakadályozza a szétválást.
Mivel a cseppek felbontás utáni összeolvadása befolyásolja a végső cseppméret-eloszlást, hatékonyan stabilizáló emulgeálószereket alkalmaznak, hogy a végső cseppméret-eloszlás megegyezzen az ultrahangos diszpergálási zónában közvetlenül a cseppek felbontása után kialakuló eloszlással. A stabilizálószerek állandó energiasűrűség mellett ténylegesen javítják a cseppek felbontását.
A gyakran használt emulgeálószerek közé tartozik például a lecitin (amely a tojássárgájában és a szójababban található), a mono- és digliceridek, a poliszorbát 80 és a nátrium-sztearoil-laktilát.
Az ultrahangos kezeléssel hatékonyan előállítható miniemulziók fokozzák a kémiai reakciókat. Makroemulziós polimerizáció (a) és miniemulziós polimerizáció (b) összehasonlítása [Schork et al. 2005: 136]
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.