Էմուլգացում ուլտրաձայնային կավիտացիայի միջոցով
Միջանկյալ և սպառողական արտադրանքների լայն տեսականի – օրինակ՝ կոսմետիկ միջոցները, մաշկի լոսյոնները, դեղագործական քսուքները, լաքերը, ներկերը, քսանյութերը և վառելիքները – ամբողջությամբ կամ մասամբ հիմնված է էմուլսիաների վրա։
Hielscher-ն արտադրում է հեղուկների մշակման համար նախատեսված՝ աշխարհում ամենամեծ արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը՝ արտադրական ձեռնարկություններում մեծածավալ հոսքերի արդյունավետ էմուլգացման համար։
Ինչպես է գործում ուլտրաձայնային էմուլգացումը
Լաբորատոր կիրառություններ. Լաբորատոր պայմաններում ուլտրաձայնի էմուլգացնող ունակությունը վաղուց հայտնի է և կիրառվում է՝ շնորհիվ ուլտրաձայնային հոմոգենացման և էմուլգացման հետ կապված բազմաթիվ առավելությունների։
Տեխնոլոգիան
Հուսալի ուլտրաձայնային էմուլգացումը հիմնված է ուլտրաձայնային զոնդերի՝ սոնոտրոդների օգտագործման վրա։ Գործընթացն ընթանում է հետևյալ կերպ.
- Ուլտրաձայնային էներգիայի փոխանցում. Ուլտրաձայնային զոնդի միջոցով բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնը փոխանցվում է հեղուկներին՝ առաջացնելով ակուստիկ կավիտացիա։
- Կավիտացիայի ազդեցությունը. Ուլտրաձայնային կամ ակուստիկ կավիտացիան առաջացնում է սահքի մեծ ուժեր, որոնք ապահովում են խոշոր կաթիլները մինչև նանոչափային կաթիլներ մանրացնելու համար անհրաժեշտ էներգիան։
- Էմուլսիայի առաջացում. Երկու կամ ավելի հեղուկ ֆազեր խառնվում են՝ առաջացնելով համասեռ ենթամիկրոնային կամ նանոէմուլսիա։
Մասշտաբի մեծացում մինչև արդյունաբերական մակարդակ՝ հոսքային տեխնոլոգիայի միջոցով: Ուլտրաձայնային հոսքային բջիջների օգտագործումը թույլ է տալիս գծային կերպով մեծացնել մասշտաբը մինչև նանոէմուլսիաների արդյունաբերական արտադրություն՝ շարունակական հոսքային ռեժիմով մշակելով մեծածավալ հոսքեր։
Ուլտրաձայնային էմուլգացման առավելությունները
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքով էմուլգացումն ունի մի շարք առավելություններ էմուլգացման այլ տեխնիկաների նկատմամբ.
- Էմուլսիայի բարելավված կայունություն. Ուլտրաձայնային էմուլգացման արդյունքում ստացվում են ավելի փոքր կաթիլներ և դրանց ավելի համաչափ բաշխում, ինչը բարելավում է էմուլսիայի կայունությունը և երկարացնում պահպանման ժամկետը։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնի միջոցով կարելի է հուսալիորեն ստանալ ենթամիկրոնային և նանոչափային կաթիլներ։
- Էներգաարդյունավետություն. Ուլտրաձայնային էմուլգացումը պահանջում է ավելի քիչ էներգիա, քան էմուլգացման այլ մեթոդները, ինչն այն դարձնում է ավելի էներգաարդյունավետ գործընթաց։
- Մասշտաբայնություն. Ուլտրաձայնային էմուլգացման մասշտաբը կարելի է հեշտությամբ մեծացնել կամ փոքրացնել՝ կախված պահանջվող ծավալից, ինչն այն դարձնում է բազմակողմանի գործընթաց ինչպես լաբորատոր, այնպես էլ արդյունաբերական կիրառությունների համար։
- Ժամանակի խնայողություն. Ուլտրաձայնային էմուլգացումը կարող է լինել շատ արագ գործընթաց. էմուլսիաներն առաջանում են վայրկյանների կամ րոպեների ընթացքում՝ կախված հեղուկներից, ծավալից և սարքավորումներից։
- Մակերևութային ակտիվ նյութերի նվազեցված պահանջ. Ուլտրաձայնային էմուլգացումը կարող է նվազեցնել մակերևութային ակտիվ նյութերի պահանջը, որոնք հաճախ անհրաժեշտ են էմուլսիաների կայունացման համար։ Սակայն կաթիլի չափի փոքրացման հետ մեծանում է մասնիկի մակերևույթի մակերեսը, և մակերևութային ակտիվ նյութով պետք է ծածկվի ավելի մեծ մակերես։ Ուլտրաձայնային մշակումը համատեղելի է մակերևութային ակտիվ նյութերի գրեթե ցանկացած տեսակի հետ՝ ներառյալ այլընտրանքային և նոր էմուլգատորները։
- Նվազագույն և վերահսկելի ջերմագոյացում. Ուլտրաձայնային էմուլգացումը ոչ ջերմային գործընթաց է, և մշակման ընթացքում ջերմագոյացումից կարելի է խուսափել կամ այն փոքր չափով նվազեցնել։ Դրանով նվազում է զգայուն միացությունների կամ բաղադրիչների ջերմային քայքայման վտանգը։
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքով էմուլգացման առավելություններն այն դարձնում են գերազանց ընտրություն էմուլգացման համար տարբեր ոլորտներում՝ ներառյալ սննդամթերքի և ըմպելիքների, դեղագործության, կոսմետիկայի, նուրբ քիմիական նյութերի և վառելիքների ոլորտները։
Կարդացեք ավելին մայոնեզի ուլտրաձայնային էմուլգացման մասին։
Կարդացեք ավելին ուլտրաձայնային մշակմամբ պարաֆինային մոմի էմուլսիաների արտադրության մասին։
Կարդացեք ավելին ուլտրաձայնի միջոցով ստացված «ջուրը դիզելային վառելիքում» էմուլսիաների մասին։
DLS չափումը ցույց է տալիս ուլտրաձայնային եղանակով ստացված «վարդի յուղը ջրում» էմուլսիայի կաթիլների համաչափ չափային բաշխումը։
Ի՞նչ է էմուլսիան։Էմուլսիաները երկու կամ ավելի իրար չխառնվող հեղուկների դիսպերսիաներ են։ Շատ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնն ապահովում է հեղուկ ֆազը (դիսպերս ֆազը) փոքր կաթիլների տեսքով երկրորդ ֆազում (անընդհատ ֆազում) դիսպերսելու համար անհրաժեշտ հզորությունը։ Դիսպերսման գոտում դեպի ներս փլուզվող կավիտացիոն պղպջակներն առաջացնում են ինտենսիվ հարվածային ալիքներ շրջապատող հեղուկում և հանգեցնում հեղուկի բարձր արագությամբ շիթերի առաջացմանը։
Նանոէմուլսիաներ – ուլտրաձայնային սարքերի հզոր կիրառություն
Նանոէմուլսիաները էմուլսիաներ են, որոնց կաթիլների չափը սովորաբար 100 նանոմետրից փոքր է։ Նանոէմուլսիաները սովորական էմուլսիաների համեմատ ունեն մի շարք առավելություններ, այդ թվում՝ եզակի ֆունկցիոնալ հատկություններ, ավելի բարձր կայունություն, թափանցիկություն և այլն։
Ուլտրաձայնային մշակումը գերազանցում է էմուլսացման ավանդական տեխնոլոգիաներին հատկապես նանոէմուլսիաների ձևավորման հարցում։ Դա պայմանավորված է ուլտրաձայնի աշխատանքի բարձր արդյունավետությամբ և էներգիայի բարձր ինտենսիվությամբ բնութագրվող սկզբունքով։
Ստորև ներկայացված տեսանյութը ցույց է տալիս յուղի (դեղին) էմուլսացումը ջրում (կարմիր)՝ UP400S լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքի միջոցով։
Ուլտրաձայնային էմուլսացման աշխատանքի սկզբունքը
Ակուստիկ կավիտացիա. ուլտրաձայնային էմուլսացման և նանոէմուլսացման շարժիչ ուժը
Ուլտրաձայնային էմուլսացումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի հզոր ազդեցությունների վրա։ Այս երևույթն առաջանում է, երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքներն անցնում են հեղուկի միջով։ Այս գործընթացի ընթացքում առաջանում են մանրադիտակային պղպջակներ, որոնք աճում են, ապա կտրուկ փլուզվում։ Այս պղպջակների՝ դեպի ներս ուղղված փլուզումն առաջացնում է ծայրահեղ տեղային պայմաններ, այդ թվում՝ ճնշման և ջերմաստիճանի կտրուկ գրադիենտներ, սահքի մեծ ուժեր, հարվածային ալիքներ և հեղուկի միկրոշիթեր։ Այս ուժերն արդյունավետորեն տրոհում են խոշոր մասնիկները, կաթիլներն ու ագլոմերատները՝ վերածելով շատ ավելի փոքր կառուցվածքների։
Ձախ կողմի պատկերը ցույց է տալիս հեղուկով լցված ապակե սյունակում աշխատող UIP1000hdT ուլտրաձայնային պրոցեսորի (1000 W) առաջացրած ակուստիկ կավիտացիան։
Ինչպես է ակուստիկ կավիտացիան բարելավում էմուլսացումը
Ե՛վ էմուլսացման, և՛ նանոէմուլսացման ժամանակ կավիտացիայի ինտենսիվությունը կաթիլների չափը որոշող առանցքային գործոն է։ Կավիտացիոն պղպջակների փլուզման ժամանակ առաջացող սահքի ուժերը խոշոր կաթիլները տրոհում են ավելի ու ավելի փոքր կաթիլների։ Միաժամանակ ճնշման և ջերմաստիճանի տեղային փոփոխությունները նպաստում են նոր կաթիլների առաջացմանը՝ նաև օգնելով կայունացնել էմուլսիան։
Կաթիլների տրոհման և կայունացման այս համակցությունը թույլ է տալիս ուլտրաձայնային տեխնոլոգիայով ստանալ խիստ համասեռ էմուլսիաներ՝ բացառիկ փոքր չափերի կաթիլների բաշխումներով։
Ջրի և ձիթապտղի յուղի էմուլսիաների կաթիլների չափային բաշխումը՝ պատրաստված (a) հոմոգենացման դասական մեթոդով, (b) ուլտրաձայնային հոմոգենացման մեթոդով (UP400S-ի կիրառմամբ)՝ MD-ի, WPI-ի և դրանց խառնուրդի օգտագործմամբ, 40% չոր նյութի և 9% յուղի (w/w) պարունակությամբ։ Ուլտրաձայնային էմուլսացման արդյունքում ստացվում են զգալիորեն ավելի փոքր կաթիլներ, նվազում է սերուցքագոյացումը և բարելավվում է էմուլսիայի ընդհանուր կայունությունը։
(հետազոտություն և գրաֆիկներ՝ Zungur et al., 2015)
Ուլտրաձայնային զոնդեր՝ արդյունավետ էմուլսացման համար
Hielscher-ն առաջարկում է զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերի և օժանդակ պարագաների լայն տեսականի՝ հեղուկների արդյունավետ էմուլսացման և դիսպերսացման համար՝ խմբաքանակային և հոսքային ռեժիմներով։
Մի քանի ուլտրաձայնային պրոցեսորներից բաղկացած համակարգերը, որոնցից յուրաքանչյուրի հզորությունը հասնում է մինչև 16 000 վատտի, ապահովում են անհրաժեշտ արտադրողականությունը՝ այս լաբորատոր կիրառությունը արտադրության արդյունավետ մեթոդի վերածելու և անընդհատ հոսքով կամ խմբաքանակային եղանակով մանր դիսպերսված էմուլսիաներ ստանալու համար՝ հասնելով այսօր հասանելի լավագույն բարձր ճնշման հոմոգենիզատորների, օրինակ՝ նոր անցքային փականի արդյունքներին համադրելի արդյունքների։ Անընդհատ էմուլսացման այս բարձր արդյունավետությունից բացի, Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքերը պահանջում են շատ քիչ տեխնիկական սպասարկում, իսկ դրանց շահագործումն ու մաքրումը շատ հեշտ են։ Ուլտրաձայնն իսկապես նպաստում է մաքրմանն ու ողողմանը։ Ուլտրաձայնային հզորությունը կարգավորելի է և կարող է հարմարեցվել կոնկրետ արտադրանքներին ու էմուլսացման պահանջներին։ Հասանելի են նաև հատուկ հոսքային բջջային ռեակտորներ, որոնք բավարարում են CIP-ի (մաքրում տեղում) և SIP-ի (մանրէազերծում տեղում) խստացված պահանջները։
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի ծավալային արագությունը | Առաջարկվող սարքերը |
|---|---|---|
| 0,5-ից մինչև 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1-ից մինչև 500mL | 10-ից մինչև 200mL/min | UP100H |
| 10-ից մինչև 2000mL | 20-ից մինչև 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-ից մինչև 20L | 0,2-ից մինչև 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-ից մինչև 100L | 2-ից մինչև 10L/min | UIP4000hdT |
| 15-ից 150L | 3-ից 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-ից 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի խումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator-ը հզոր օժանդակ սարք է, որը համատեղելի է Hielscher-ի ուլտրաձայնային հոսքային բջջային ռեակտորների հետ։ MPC48 ներդիրի միջոցով դիսպերս ֆազը 48 կանյուլաներով բարակ հեղուկ շիթերի տեսքով ներարկվում է ուլտրաձայնային տաք գոտի, որտեղ դիսպերս և անընդհատ ֆազերը խառնվում են մանրագույն կաթիլների տեսքով՝ առաջացնելով նանոէմուլսիա։
Բացահայտե՛ք, թե ինչպես է MultiPhaseCavitator-ը բարելավում էմուլգացումը։
Գրականություն / Հղումներ
- 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
Օգտակար տեղեկություններ
«Էմուլսիա» եզրույթի սահմանումը
Էմուլսիան երկու կամ ավելի փոխադարձաբար չխառնվող հեղուկների, օրինակ՝ յուղի և ջրի խառնուրդ է։
Էմուլսիաները կարող են լինել «յուղը ջրում» տեսակի (երբ յուղի կաթիլները դիսպերսված են ջրում) կամ «ջուրը յուղում» տեսակի (երբ ջրի կաթիլները դիսպերսված են յուղում)։ Էմուլսիաներն օգտագործվում են տարբեր կիրառություններում, այդ թվում՝ սննդամթերքում (օրինակ՝ աղցանների սոուսներում և մայոնեզում), կոսմետիկ միջոցներում (օրինակ՝ լոսյոններում և քսուքներում) և դեղագործական պատրաստուկներում (օրինակ՝ պատվաստանյութերում)։
Էմուլգատորը գործում է՝ նվազեցնելով էմուլսիայում երկու փոխադարձաբար չխառնվող նյութերի (օրինակ՝ յուղի և ջրի) միջև մակերևութային լարվածությունը։ Սա նվազեցնում է երկու նյութերի տարանջատվելու հակումը և թույլ է տալիս դրանց կայուն խառնուրդ առաջացնել։
Ինչպե՞ս է կայունացվում էմուլսիան
Էմուլսիան կայունացվում է՝ կանխելով դիսպերս ֆազի (մի հեղուկի կաթիլների) միաձուլումը և անընդհատ ֆազից (շրջապատող հեղուկից) տարանջատումը։ Էմուլսիաների կայունությունն ապահովելու համար անհրաժեշտ է հաշվի առնել մի քանի հիմնական հանգամանք․
- Էմուլգատորներ (մակերևութաակտիվ նյութեր)․
– Դերը․ Էմուլգատորները մոլեկուլներ են, որոնք ունեն և՛ հիդրոֆիլ (ջուրը ձգող), և՛ հիդրոֆոբ (ջուրը վանող) ծայրեր։
– Գործողությունը․ Դրանք նվազեցնում են երկու փոխադարձաբար չխառնվող հեղուկների միջև մակերևութային լարվածությունը և կաթիլների շուրջ պաշտպանիչ շերտ են առաջացնում՝ կանխելով դրանց միաձուլումը։
– Օրինակներ․ Լեցիտին, պոլիսորբատներ և նատրիումի ստեարոիլ լակտիլատ։ - Մեխանիկական մեթոդներ․
Բարձր արդյունավետությամբ խառնում․ Բարձր սահքային ուժերով աշխատող խառնիչների կամ հոմոգենիզատորների օգտագործում՝ կաթիլները մանրացնելու, մակերեսը մեծացնելու և կայունությունը բարձրացնելու համար։ Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերի կիրառումը հիանալի և շատ հուսալի մեթոդ է, որն օգտագործում է ձայնամեխանիկական սահքային ուժեր։ Այս ուլտրաձայնային սահքային ուժերը խոշոր կաթիլները տրոհում են մանրագույն կաթիլների և փոխադարձաբար չխառնվող ֆազերը խառնում՝ առաջացնելով կայուն էմուլսիա։ - Մածուցիկությունը փոփոխող նյութեր․
Թանձրացուցիչներ․ Անընդհատ ֆազի մածուցիկության բարձրացումը կարող է դանդաղեցնել կաթիլների շարժումը՝ նվազեցնելով միաձուլման հավանականությունը։
– Օրինակներ․ Քսանթանային խեժ, գուարի խեժ և կարբօքսիմեթիլցելյուլոզ։ - Կայունացնող նյութեր․
– Պոլիմերներ․ Պոլիմերները կարող են ապահովել ստերիկ կայունացում՝ կաթիլների շուրջ հաստ շերտ առաջացնելով։
– Օրինակներ․ Պեկտին, ժելատին և որոշ սպիտակուցներ։ - Էլեկտրաստատիկ կայունացում․
– Լիցքը․ Որոշ էմուլգատորներ կաթիլների մակերևույթին էլեկտրական լիցք են հաղորդում՝ ստիպելով դրանց վանել միմյանց և այդպիսով նվազեցնելով միաձուլումը։
– Օրինակներ․ Նատրիումի կազեինատ և սոյայի լեցիտին։ - Ջերմաստիճանի վերահսկում․
– Սառեցում․ Ջերմաստիճանի իջեցումը կարող է բարձրացնել անընդհատ ֆազի մածուցիկությունը և նվազեցնել կաթիլների կինետիկ էներգիան՝ կանխելով միաձուլումը։
– Ֆազային տարանջատման կանխում․ Ջերմաստիճանի պահպանում այնպիսի միջակայքում, որը կանխում է բաղադրիչների տարանջատումը։ - Հավելանյութեր․
– Հակաօքսիդանտներ․ Օքսիդացման կանխումը կարող է օգնել պահպանել էմուլգատորի և մյուս բաղադրիչների ամբողջականությունը։
– Քելատացնող նյութեր․ Մետաղների իոնների կապում, որոնք հակառակ դեպքում կարող են ապակայունացնել էմուլսիան։
Էմուլգացման ճիշտ մեթոդը կիրառելով՝ կարելի է կայունացնել էմուլսիաները՝ ապահովելով, որ խառնուրդը ժամանակի ընթացքում մնա համասեռ և պահպանի իր ցանկալի հատկությունները։
Կայունացնող էմուլգատորներ
Ընդհանուր առմամբ, էմուլսիաները պահանջում են կայունացում՝ էմուլգացնող նյութի կամ մակերևութաակտիվ նյութի կիրառմամբ։ Էմուլգատորներն ամֆիֆիլ են – դրանք ձգում են և՛ ջուրը, և՛ ճարպային նյութերը։ Սա նշանակում է, որ դրանք ունեն հիդրոֆիլ (ջրասեր) և հիդրոֆոբ (յուղասեր) հատկություններ, ինչը թույլ է տալիս փոխազդել էմուլսիայի և՛ յուղային, և՛ ջրային ֆազերի հետ։ Էմուլգատորի մոլեկուլի հիդրոֆիլ մասը կապվում է ջրի մոլեկուլների հետ, իսկ հիդրոֆոբ մասը՝ յուղի մոլեկուլների հետ։
Յուղի կաթիլները շրջապատելով էմուլգատորի մոլեկուլներով՝ էմուլգատորը կաթիլների շուրջ ստեղծում է պաշտպանիչ շերտ, որը կանխում է դրանց փոխադարձ շփումն ու կոալեսցենցիան (միաձուլումը)՝ ավելի խոշոր կաթիլների առաջացմամբ։ Սա օգնում է պահպանել էմուլսիայի կայունությունը և կանխում է շերտազատումը։
Քանի որ տրոհումից հետո կաթիլների կոալեսցենցիան ազդում է կաթիլների չափերի վերջնական բաշխման վրա, արդյունավետ կայունացնող էմուլգատորներ են օգտագործվում՝ կաթիլների չափերի վերջնական բաշխումը ուլտրաձայնային դիսպերգացման գոտում կաթիլների տրոհումից անմիջապես հետո առկա բաշխմանը հավասար մակարդակում պահպանելու համար։ Կայունացուցիչներն իրականում բարելավում են կաթիլների տրոհումը էներգիայի հաստատուն խտության պայմաններում։
Հաճախ օգտագործվող էմուլգատորների օրինակներ են լեցիտինը (որը պարունակվում է ձվի դեղնուցում և սոյայի հատիկներում), մոնո- և դիգլիցերիդները, պոլիսորբատ 80-ը և նատրիումի ստեարոիլ լակտիլատը։
Hielscher Ultrasonics-ն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։



