Էմուլգավորում ուլտրաձայնային կավիտացիայի միջոցով
Միջանկյալ և սպառողական ապրանքների լայն տեսականի, ինչպիսիք են կոսմետիկան և մաշկի լոսյոնները, դեղագործական քսուքները, լաքերը, ներկերը և քսանյութերը և վառելիքը հիմնված են ամբողջությամբ կամ մասամբ էմուլսիաների վրա: Hielscher-ը արտադրում է աշխարհի ամենամեծ արդյունաբերական ուլտրաձայնային հեղուկ պրոցեսորները՝ արտադրական գործարաններում մեծ ծավալային հոսքերի արդյունավետ էմուլգացման համար:
Ուլտրաձայնային էմուլսացիա
Լաբորատորիայում ուլտրաձայնի էմուլգացման հզորությունը հայտնի է և կիրառվում է երկար ժամանակ՝ շնորհիվ տարբեր առավելությունների, որոնք կապված են ուլտրաձայնային հոմոգենացման և էմուլսացման հետ: Հուսալի ուլտրաձայնային էմուլսացումը հիմնված է ուլտրաձայնային զոնդերի, այսպես կոչված, սոնոտրոդների օգտագործման վրա: Ուլտրաձայնային զոնդի միջոցով բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնը զուգակցվում է հեղուկների մեջ և ստեղծում ակուստիկ կավիտացիա: Ուլտրաձայնային կամ ակուստիկ կավիտացիան առաջացնում է բարձր կտրող ուժեր, որոնք ապահովում են անհրաժեշտ էներգիա՝ մեծ կաթիլները մինչև նանո չափի կաթիլները խափանելու համար: Այսպիսով, երկու կամ ավելի հեղուկ փուլերը խառնվում են միասնական ենթամիկրոն կամ նանոէմուլսիայի մեջ:
Ուլտրաձայնային հոսքի բջիջների օգտագործումը թույլ է տալիս նանոէմուլսիաների գծային մասշտաբով մինչև արդյունաբերական արտադրություն, որը մշակում է մեծ ծավալի հոսքեր շարունակական հոսքով:
MultiPhaseCavitator: Եզակի Hielscher հոսքային բջջային ներդիր MPC48-ը հզոր լրասարք է, որը համատեղելի է Hielscher ուլտրաձայնային հոսքի բջջային ռեակտորների հետ: Օգտագործելով MPC48 ներդիրը, ցրված փուլը ներարկվում է 48 cannulas-ի միջոցով որպես բարակ հեղուկ շղթաներ ուլտրաձայնային տաք գոտի, որտեղ ցրված փուլը և շարունակական փուլը խառնվում են որպես րոպե կաթիլներ՝ վերածելով նանոէմուլսիայի: Կարդացեք ավելին MPC48 ուլտրաձայնային հոսքի բջջային ներդիրի մասին:
Ուլտրաձայնային սարքերը հուսալի և արդյունավետ են ենթամիկրոն և նանո չափերի էմուլսիաներ արտադրելու համար:
Ուլտրաձայնային էմուլսացման առավելությունները
Ուլտրաձայնային էմուլսացումը՝ օգտագործելով զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարք, մի քանի առավելություն է տալիս էմուլգացնող այլ տեխնիկայի նկատմամբ.
- Բարելավված էմուլսիայի կայունություն. Ուլտրաձայնային էմուլսացումը ստեղծում է կաթիլների ավելի փոքր չափսեր և կաթիլների ավելի միասնական բաշխում, ինչը հանգեցնում է էմուլսիայի կայունության բարելավմանը և ավելի երկար պահպանման ժամկետին: Ենթամիկրոն և նանո չափերի կաթիլները կարող են հուսալիորեն արտադրվել ուժային ուլտրաձայնի միջոցով:
- Էներգաարդյունավետության: Ուլտրաձայնային էմուլսացումը պահանջում է ավելի քիչ էներգիա, քան մյուս էմուլգացիոն մեթոդները, ինչը այն դարձնում է ավելի էներգաարդյունավետ գործընթաց:
- Մասշտաբայնություն: Ուլտրաձայնային էմուլսացումը հեշտությամբ կարելի է մեծացնել կամ իջեցնել՝ կախված պահանջվող ծավալից՝ դարձնելով այն բազմակողմանի գործընթաց ինչպես լաբորատոր, այնպես էլ արդյունաբերական կիրառությունների համար:
- Ժամանակի խնայում: Ուլտրաձայնային էմուլսացումը կարող է շատ արագ գործընթաց լինել, քանի որ էմուլսիաները ձևավորվում են վայրկյաններից մինչև րոպեների ընթացքում՝ կախված հեղուկներից, ծավալից և սարքավորումներից:
- Մակերեւութային ակտիվ նյութերի կրճատված կարիքը. Ուլտրաձայնային էմուլսացումը կարող է նվազեցնել մակերեսային ակտիվ նյութերի անհրաժեշտությունը, որոնք հաճախ պահանջվում են էմուլսիաները կայունացնելու համար: Այնուամենայնիվ, կաթիլների փոքրացված չափի դեպքում մասնիկի մակերեսը մեծանում է, և ավելի շատ տարածք պետք է ծածկվի մակերեսային ակտիվ նյութով: Ultrasonication-ը համատեղելի է գրեթե ցանկացած տեսակի մակերեւութային ակտիվ նյութի հետ, ներառյալ այլընտրանքային և նոր էմուլգատորները:
- Նվազագույն և վերահսկելի ջերմության արտադրություն. Ուլտրաձայնային էմուլսացումը ոչ ջերմային գործընթաց է, և մշակման ընթացքում ջերմության առաջացումը կարելի է խուսափել կամ փոքր չափով նվազեցնել: Այսպիսով, զգայուն միացությունների կամ բաղադրիչների ջերմային քայքայման ռիսկը նվազում է:
Ուլտրաձայնային էմուլսացման առավելությունները, օգտագործելով զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարք, այն դարձնում են հիանալի ընտրություն տարբեր ոլորտներում էմուլգացիայի համար, ներառյալ սննդամթերքը և խմիչքը, դեղագործությունը, կոսմետիկան, նուրբ քիմիական նյութերը և վառելանյութերը:
Կարդացեք ավելին ուլտրաձայնային մայոնեզի էմուլգացիայի մասին:
Կարդացեք ավելին պարաֆինային մոմի էմուլսիաների արտադրության մասին, օգտագործելով sonication:
Կարդացեք ավելին ջրի մեջ դիզելային էմուլսիաների մասին, որոնք արտադրվում են ուլտրաձայնային սարքերի միջոցով:
Յուղ ջրի մեջ (O/W) էմուլսիայի ուլտրաձայնային պատրաստում (կարմիր ջուր / դեղին յուղ): Sonication-ի մի քանի վայրկյանը առանձին ջրի/յուղային փուլերը վերածում է նուրբ էմուլսիայի:
Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս նավթի (դեղին) էմուլգացման գործընթացը ջրի մեջ (կարմիր)՝ օգտագործելով UP400S լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքը:
Ի՞նչ է էմուլսիան:Էմուլսիաները երկու կամ ավելի չխառնվող հեղուկների դիսպերսիա են։ Բարձր ինտենսիվ ուլտրաձայնը մատակարարում է էներգիան, որն անհրաժեշտ է հեղուկ փուլը (ցրված փուլ) փոքր կաթիլներով երկրորդ փուլում (շարունակական փուլ) ցրելու համար: Ցրման գոտում պայթող կավիտացիոն փուչիկները առաջացնում են ինտենսիվ հարվածային ալիքներ շրջակա հեղուկում և հանգեցնում հեղուկի բարձր արագությամբ հեղուկ շիթերի ձևավորման:
Մինիէմուլսիաները, որոնք կարող են արդյունավետորեն ստեղծվել ուլտրաձայնային եղանակով, ուժեղացնում են քիմիական ռեակցիաները: Մակրոէմուլսիայի պոլիմերացում (ա) ընդդեմ մինիեմուլսիայի պոլիմերացման (բ) [Schork et al. 2005: 136]
նանոէմուլսիաներ – Ուլտրաձայնային սարքերի հզորության հավելված
Նանոէմուլսիաները էմուլսիաներ են, որոնց չափերը սովորաբար 100 նանոմետրից պակաս են: Նանոէմուլսիաներն առաջարկում են մի քանի առավելություններ սովորական էմուլսիաների նկատմամբ, ներառյալ յուրահատուկ ֆունկցիոնալ հատկությունները, ավելի բարձր կայունությունը, թափանցիկությունը և այլն:
Ultrasonication-ը գերազանցում է ավանդական էմուլսացման տեխնոլոգիաներին, հատկապես երբ խոսքը վերաբերում է նանոէմուլսիաների ձևավորմանը: Դա պայմանավորված է ուլտրաձայնի բարձր արդյունավետ և էներգիայի ինտենսիվ աշխատանքի սկզբունքով:
Ուլտրաձայնային էմուլսացման աշխատանքային սկզբունքը
Ուլտրաձայնային էմուլսացման գործընթացները օգտագործում են ակուստիկ կավիտացիայի ուժերը: Ակուստիկ կավիտացիան վերաբերում է բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքների ազդեցությանը ենթարկված հեղուկ միջավայրում փոքր փուչիկների առաջացման, աճի և իմպուլսիվ փլուզման երևույթին: Այս փուչիկների պայթեցումը առաջացնում է ինտենսիվ տեղական ճնշման և ջերմաստիճանի գրադիենտներ, որոնք կարող են ստեղծել բարձր կտրվածքային ուժեր, հարվածային ալիքներ և միկրո-շիթեր, որոնք կարող են կոտրել մեծ մասնիկներն ու ագլոմերատները ավելի փոքրերի: Ձախ կողմում գտնվող նկարը ցույց է տալիս ուլտրաձայնային կավիտացիան, որն առաջացել է ուլտրաձայնային սարքի UIP1000hdT (1000 վտ) զոնդում՝ հեղուկով լցված ապակե սյունակում:
Էմուլսացման և նանոէմուլսացման ժամանակ ակուստիկ կավիտացիայի ինտենսիվությունը կարևոր դեր է խաղում էմուլսիայում կաթիլների չափը նվազեցնելու համար: Կավիտացիոն փուչիկների ազդեցիկ փլուզումը կարող է ստեղծել ուժեղ կտրող ուժեր, որոնք ավելի մեծ կաթիլները բաժանում են փոքրերի: Ավելին, կավիտացիայի արդյունքում առաջացած տեղական ճնշման և ջերմաստիճանի գրադիենտները կարող են նաև նպաստել նոր կաթիլների ձևավորմանը և կայունացնել էմուլսիան:
Ակուստիկ կավիտացիայի եզակի ասպեկտը հեղուկ միջավայրին տեղայնացված և ինտենսիվ էներգիա ապահովելու կարողությունն է՝ առանց բարձր մեխանիկական կամ ջերմային սթրեսների անհրաժեշտության: Սա այն դարձնում է գրավիչ տեխնիկա նանոէմուլսացման համար, քանի որ այն կարող է նվազեցնել էմուլսացման գործընթացի համար անհրաժեշտ էներգիայի ներդրումը` միաժամանակ հասնելով կաթիլների ավելի փոքր չափի և ավելի նեղ կաթիլների չափի բաշխման:
Այս ճշգրիտ կառավարելի ուլտրաձայնային ուժերի շնորհիվ ակուստիկ կավիտացիան հզոր գործիք է նանոէմուլսացման համար: Տեղայնացված և ինտենսիվ էներգիայի ներդրման նրա կարողությունը թույլ է տալիս շատ բարձր արդյունավետությամբ կոտրել ավելի մեծ կաթիլներ՝ ձևավորելով ենթամիկրոն և նանո չափերի կաթիլներ:
Յուղը ջրում (ջրային փուլ) և ջուրը յուղում (նավթային փուլ) էմուլսիաների ուսումնասիրությունները ցույց են տվել կապը էներգիայի խտության և կաթիլների չափի միջև (օրինակ՝ Սաուտերի տրամագիծը): Էներգիայի խտության ավելացման դեպքում կա կաթիլների փոքր չափի հստակ միտում (սեղմեք աջ գրաֆիկայի վրա) Էներգիայի համապատասխան խտության մակարդակներում ուլտրաձայնը կարող է հեշտությամբ և հուսալիորեն հասնել նանո-տիրույթում կաթիլների միջին չափերին:
Ուլտրաձայնային զոնդերը արդյունավետ էմուլսացման համար
Hielscher-ն առաջարկում է զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերի և աքսեսուարների լայն տեսականի հեղուկների արդյունավետ էմուլգացման և ցրման համար խմբաքանակի և հոսքի ռեժիմում:
Համակարգերը, որոնք բաղկացած են մինչև 16000 վտ հզորությամբ մի քանի ուլտրաձայնային պրոցեսորներից, ապահովում են այս լաբորատոր կիրառումը արդյունավետ արտադրության մեթոդի վերածելու համար անհրաժեշտ հզորությունը՝ շարունակական հոսքով կամ խմբաքանակով նուրբ ցրված էմուլսիաներ ստանալու համար: – հասնելով արդյունքների, որոնք համեմատելի են այսօրվա լավագույն բարձր ճնշման հոմոգենիզատորների հետ, ինչպիսին է նոր բացվող փականը: Ի հավելումն շարունակական էմուլսացման այս բարձր արդյունավետության, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը պահանջում են շատ ցածր սպասարկում և շատ հեշտ են գործել և մաքրել: Ուլտրաձայնը իրականում աջակցում է մաքրմանը և ողողմանը: Ուլտրաձայնային հզորությունը կարգավորելի է և կարող է հարմարեցվել որոշակի արտադրանքներին և էմուլգացիայի պահանջներին: Հասանելի են նաև հատուկ հոսքային բջջային ռեակտորներ, որոնք համապատասխանում են առաջադեմ CIP (մաքուր տեղում) և SIP (մանրէազերծում տեղում) պահանջներին:
MultiSonoReactor MSR-4-ը արդյունաբերական ներկառուցված հոմոգենացման ռեակտոր է, որը հարմար է բարձր թողունակությամբ (նանո)էմուլսացման գործընթացների համար:
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0.5-ից 1.5մլ | ԱԺ | VialTweeter | 1-ից 500 մլ | 10-ից 200 մլ / րոպե | UP100H |
| 10-ից 2000 մլ | 20-ից 400 մլ / րոպե | UP200Ht, UP400 Փ |
| 0.1-ից 20լ | 0.2-ից 4լ/րոպե | UIP2000hdT |
| 10-ից 100 լ | 2-ից 10 լ / րոպե | UIP4000hdT |
| 15-ից 150 լ | 3-ից 15 լ / րոպե | UIP6000hdT |
| ԱԺ | 10-ից 100 լ / րոպե | UIP16000 |
| ԱԺ | ավելի մեծ | կլաստերի UIP16000 |
Կապ մեզ հետ: / Հարցրեք մեզ:
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով կիրառական կիրառությունների խառնուրդի, ցրման, էմուլսացման և արդյունահանման համար:
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
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Տերմինի սահմանում “էմուլսիա”
Էմուլսիան երկու կամ ավելի չխառնվող հեղուկների խառնուրդ է, ինչպիսիք են նավթը և ջուրը:
Էմուլսիաները կարող են լինել կամ յուղ ջրի մեջ (որտեղ նավթի կաթիլները ցրվում են ջրի մեջ), կամ ջուր-յուղի մեջ (որտեղ ջրի կաթիլները ցրվում են յուղի մեջ): Էմուլսիաներն օգտագործվում են տարբեր կիրառություններում, ներառյալ սննդամթերքը (օրինակ՝ աղցանի սոուսներ և մայոնեզ), կոսմետիկա (օրինակ՝ լոսյոններ և քսուքներ) և դեղագործական (օրինակ՝ պատվաստանյութերը):
Էմուլգատորն աշխատում է՝ նվազեցնելով էմուլսիայի երկու չխառնվող նյութերի (օրինակ՝ նավթի և ջրի) մակերևութային լարվածությունը։ Սա նվազեցնում է երկու նյութերի բաժանման միտումը և թույլ է տալիս կայուն խառնուրդ ձևավորել:
Ինչպե՞ս է էմուլսիան կայուն դառնում:
Էմուլսիան կայուն է դառնում՝ կանխելով ցրված փուլի (մեկ հեղուկի կաթիլների) միաձուլումը և անջատումը շարունակական փուլից (շրջակա հեղուկից): Էմուլսիաներում կայունություն ձեռք բերելու համար պետք է հաշվի առնել մի քանի հիմնական կետեր.
- Էմուլգատորներ (մակերևութային ակտիվ նյութեր).
– Դերը: Էմուլգատորներն այն մոլեկուլներն են, որոնք ունեն և՛ հիդրոֆիլ (ջուր ձգող), և՛ հիդրոֆոբ (ջուր վանող) ծայրեր։
– Գործողություն: Նրանք նվազեցնում են մակերևութային լարվածությունը երկու չխառնվող հեղուկների միջև և պաշտպանիչ շերտ են կազմում կաթիլների շուրջ՝ կանխելով դրանց միաձուլումը։
– Օրինակներ. Լեցիտին, պոլիսորբատներ և նատրիումի ստեարոյլ լակտիլատ։ - Մեխանիկական մեթոդներ.
Բարձր կատարողականի խառնուրդ. Օգտագործելով բարձր կտրվածքով խառնիչներ կամ համասեռացուցիչներ՝ կաթիլները ավելի փոքր չափերի բաժանելու համար՝ մեծացնելով մակերեսը և բարձրացնելով կայունությունը: Զոնդի տիպի sonicators-ը հիանալի և շատ հուսալի մեթոդ է՝ օգտագործելով սոնոմեխանիկական կտրող ուժերը: Այս ուլտրաձայնային կտրող ուժերը մեծ կաթիլները կոտրում են փոքր կաթիլների և խառնում են չխառնվող փուլերը կայուն էմուլսիայի մեջ: - Մածուցիկության մոդիֆիկատորներ.
Թանձրացուցիչներ. Շարունակական փուլի մածուցիկության բարձրացումը կարող է դանդաղեցնել կաթիլների շարժումը՝ նվազեցնելով միաձուլման հավանականությունը։
– Օրինակներ. Քսանթանային մաստակ, գուար ռետին և կարբոքսիմեթիլ ցելյուլոզ: - Կայունացնող միջոցներ.
– Պոլիմերներ: Պոլիմերները կարող են ապահովել ստերիկ կայունացում՝ կաթիլների շուրջ հաստ շերտ կազմելով:
– Օրինակներ. Պեկտին, ժելատին և որոշ սպիտակուցներ: - Էլեկտրաստատիկ կայունացում.
– Գանձում: Որոշ էմուլգատորներ էլեկտրական լիցք են հաղորդում կաթիլների մակերևույթին՝ ստիպելով նրանց վանել միմյանց և դրանով իսկ նվազեցնելով միաձուլումը։
– Օրինակներ. Նատրիումի կազեինատ և սոյայի լեցիտին: - Ջերմաստիճանի վերահսկում.
– Սառեցում: Ջերմաստիճանի իջեցումը կարող է մեծացնել շարունակական փուլի մածուցիկությունը և նվազեցնել կաթիլների կինետիկ էներգիան՝ կանխելով միաձուլումը։
– Փուլային բաժանումից խուսափելը. Ապահովել, որ ջերմաստիճանը մնում է այն միջակայքում, որը թույլ չի տալիս բաղադրիչների բաժանումը: - Հավելումներ:
– Հակաօքսիդանտներ. Օքսիդացման կանխարգելումը կարող է օգնել պահպանել էմուլգատորի և այլ բաղադրիչների ամբողջականությունը:
– Չելացնող գործակալներ. Կապող մետաղական իոններ, որոնք այլ կերպ կարող են ապակայունացնել էմուլսիան:
Էմուլսացման ճիշտ տեխնիկան կիրառելով՝ էմուլսիաները կարող են կայուն դառնալ՝ ապահովելով, որ խառնուրդը մնա միատարր և ժամանակի ընթացքում պահպանի իր ցանկալի հատկությունները։
Կայունացնող էմուլգատորներ
Ընդհանուր առմամբ, էմուլսիաները պահանջում են կայունացում՝ օգտագործելով էմուլգացնող նյութ կամ մակերեսային ակտիվ նյութ: Էմուլգատորները ամֆիֆիլ են, դրանք գրավում են ինչպես ջուրը, այնպես էլ ճարպային նյութերը: Սա նշանակում է, որ նրանք ունեն հիդրոֆիլ (ջրասեր) և հիդրոֆոբ (նավթասեր) հատկություններ, ինչը թույլ է տալիս նրանց փոխազդել էմուլսիայի և՛ նավթային, և՛ ջրային փուլերի հետ։ Էմուլգատորի մոլեկուլի հիդրոֆիլ մասը կցվում է ջրի մոլեկուլներին, իսկ հիդրոֆոբ մասը՝ նավթի մոլեկուլներին։
Շրջապատելով նավթի կաթիլները էմուլգատորի մոլեկուլներով՝ էմուլգատորը կաթիլների շուրջ ստեղծում է պաշտպանիչ շերտ, որը թույլ չի տալիս նրանց շփվել միմյանց հետ և միավորվել (միանալով) ավելի մեծ կաթիլներ ձևավորելու համար: Սա օգնում է էմուլսիան կայուն պահել և կանխել տարանջատումը:
Քանի որ խափանումից հետո կաթիլների միաձուլումը ազդում է կաթիլների վերջնական չափի բաշխման վրա, արդյունավետ կայունացնող էմուլգատորներ են օգտագործվում կաթիլների վերջնական չափի բաշխումը պահպանելու համար այն մակարդակի վրա, որը հավասար է բաշխմանը ուլտրաձայնային ցրման գոտում կաթիլների խզումից անմիջապես հետո: Կայունացուցիչներն իրականում հանգեցնում են կայուն էներգիայի խտության դեպքում կաթիլների բարելավման:
Սովորաբար օգտագործվող էմուլգատորների օրինակներ են լեցիտինը (որը հայտնաբերվում է ձվի դեղնուցներում և սոյայում), մոնո և դիգլիցերիդներ, պոլիսորբատ 80 և նատրիումի ստեարոյլ լակտիլատ:
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ լաբորատորիա դեպի արդյունաբերական չափս.