Pengemulsi dengan Kavitasi Ultrasonik
Beragam produk setengah jadi dan produk konsumen – seperti kosmetik, losion kulit, salep farmasi, pernis, cat, pelumas, dan bahan bakar – didasarkan sepenuhnya atau sebagian pada emulsi.
Hielscher memproduksi pengolah cairan ultrasonik industri terbesar di dunia untuk proses emulsifikasi yang efisien pada aliran cairan bervolume besar di pabrik-pabrik produksi.
Bagaimana Proses Emulsifikasi Ultrasonik Bekerja
Aplikasi Laboratorium: Di lingkungan laboratorium, kemampuan emulsifikasi ultrasonik telah dikenal dan diterapkan sejak lama berkat berbagai manfaat yang terkait dengan homogenisasi dan emulsifikasi ultrasonik.
Teknologi
Emulsifikasi ultrasonik yang andal didasarkan pada penggunaan probe ultrasonik, yang juga dikenal sebagai sonotrode. Prosesnya berlangsung sebagai berikut:
- Penghubung Ultrasonik: Melalui probe ultrasonik, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi disalurkan ke dalam cairan, sehingga menimbulkan kavitasi akustik.
- Efek Kavitasi: Kavitasi ultrasonik atau akustik menghasilkan gaya geser yang tinggi, yang menyediakan energi yang diperlukan untuk memecah tetesan besar menjadi tetesan berukuran nano.
- Pembentukan Emulsi: Dua atau lebih fase cair dicampur menjadi emulsi submikron atau nano yang seragam.
Peningkatan Skala Industri Melalui Teknologi Aliran Terus-Menerus: Penggunaan sel aliran ultrasonik memungkinkan penskalaan linier hingga produksi industri nanoemulsi, dengan memproses aliran berkapasitas besar dalam sistem aliran kontinu.
Pembuatan nano-emulsi bening dengan metode ultrasonik menggunakan alat ultrasonik UP400ST.
Keuntungan Emulsifikasi Ultrasonik
Emulsifikasi ultrasonik menggunakan ultrasonicator tipe probe menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan teknik pengemulsi lainnya:
- Peningkatan stabilitas emulsi: Emulsifikasi ultrasonik menciptakan ukuran tetesan yang lebih kecil dan distribusi tetesan yang lebih seragam, menghasilkan stabilitas emulsi yang lebih baik dan umur simpan yang lebih lama. Tetesan berukuran submikron dan nano dapat diproduksi dengan andal menggunakan ultrasound daya.
- Efisiensi energi: Emulsifikasi ultrasonik membutuhkan lebih sedikit energi daripada metode emulsifikasi lainnya, menjadikannya proses yang lebih hemat energi.
- Skalabilitas: Emulsifikasi ultrasonik dapat dengan mudah ditingkatkan atau diturunkan tergantung pada volume yang diperlukan, menjadikannya proses serbaguna untuk aplikasi laboratorium dan industri.
- Hemat waktu: Emulsifikasi ultrasonik bisa menjadi proses yang sangat cepat, dengan emulsi terbentuk dalam hitungan detik hingga menit, tergantung pada cairan, volume, dan peralatan.
- Mengurangi kebutuhan akan surfaktan: Emulsifikasi ultrasonik dapat mengurangi kebutuhan akan surfaktan, yang sering diperlukan untuk menstabilkan emulsi. Namun, dengan ukuran tetesan yang berkurang, luas permukaan partikel meningkat dan lebih banyak area harus ditutupi oleh surfaktan. Ultrasonikasi kompatibel dengan hampir semua jenis surfaktan termasuk pengemulsi alternatif dan baru.
- Pembangkitan panas minimal dan dapat dikontrol: Emulsifikasi ultrasonik adalah proses non-termal dan pembangkitan panas selama pemrosesan dapat dihindari atau dikurangi ke tingkat yang kecil. Dengan demikian, risiko degradasi termal senyawa atau bahan sensitif berkurang.
Keuntungan dari emulsifikasi ultrasonik menggunakan ultrasonicator tipe probe menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk emulsifikasi di berbagai bidang, termasuk makanan dan minuman, farmasi, kosmetik, bahan kimia halus dan bahan bakar.
Baca lebih lanjut tentang emulsifikasi mayones ultrasonik!
Baca lebih lanjut tentang produksi emulsi lilin parafin menggunakan sonikasi!
Baca lebih lanjut tentang Emulsi Water-in-Diesel yang diproduksi menggunakan ultrasonik!
Pengukuran DLS menunjukkan distribusi ukuran tetesan yang seragam pada emulsi minyak mawar dalam air yang dihasilkan dengan ultrasonik.
Apa itu Emulsi?Emulsi adalah dispersi dari dua atau lebih cairan yang tidak dapat larut. Intensif USG yang besar memberi persediaan energi yang dibutuhkan untuk mendispersi fase cairan (tahap terdispersi) dalam tetesan kecil dalam fase kedua (fase stabil). Di zona dispersing, ledakan gelembung kavitasi menyebabkan gelombang kejut yang kuat dalam cairan dan menghasilkan cairan jet dengan kecepatan yang sanngat tinggi.
nano-emulsi – Aplikasi Tenaga untuk Sonicator
Nanoemulsi adalah emulsi dengan tetesan yang biasanya berukuran kurang dari 100 nanometer. Nanoemulsi menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan emulsi konvensional, termasuk sifat fungsional yang unik, stabilitas yang lebih tinggi, transparansi, dll.
Ultrasonikasi mengungguli teknologi emulsifikasi tradisional terutama dalam hal pembentukan nanoemulsi. Hal ini disebabkan oleh prinsip kerja ultrasound yang sangat efisien dan intensif energi.
Video di bawah ini menunjukkan proses emulsifikasi minyak (kuning) menjadi air (merah) dengan menggunakan ultrasonicator lab UP400S.
Prinsip Kerja Emulsifikasi Ultrasonik
Kavitasi Akustik: Kekuatan Pendorong di Balik Emulsifikasi Ultrasonik dan Nano-Emulsifikasi
Emulsifikasi ultrasonik bergantung pada efek kuat kavitasi akustik, suatu fenomena yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berintensitas tinggi melewati suatu cairan. Selama proses ini, gelembung-gelembung mikroskopis terbentuk, membesar, lalu meledak dengan dahsyat. Runtuhnya gelembung-gelembung ini secara implosif menghasilkan kondisi lokal yang ekstrem, termasuk gradien tekanan dan suhu yang intens, gaya geser yang tinggi, gelombang kejut, dan semburan cairan mikro. Gaya-gaya ini secara efektif memecah partikel besar, tetesan, dan aglomerat menjadi struktur yang jauh lebih kecil.
Gambar di sebelah kiri memperlihatkan kavitasi akustik yang dihasilkan oleh prosesor ultrasonik UIP1000hdT (1000 W) yang beroperasi dalam tabung kaca berisi cairan.
Bagaimana Kavitasi Akustik Meningkatkan Proses Emulsifikasi
Baik dalam proses emulsifikasi maupun nano-emulsifikasi, intensitas kavitasi merupakan faktor kunci dalam menentukan ukuran tetesan. Saat gelembung kavitasi runtuh, gaya geser yang dihasilkan memecah tetesan yang lebih besar menjadi tetesan yang semakin kecil. Pada saat yang sama, perubahan tekanan dan suhu lokal mendorong pembentukan tetesan baru sekaligus membantu menstabilkan emulsi.
Kombinasi antara pemecahan dan stabilisasi tetesan ini memungkinkan teknologi ultrasonik menghasilkan emulsi yang sangat seragam dengan distribusi ukuran tetesan yang sangat halus.
Distribusi ukuran tetesan emulsi air-minyak zaitun yang disiapkan dengan (a) metode homogenisasi konvensional dan (b) metode homogenisasi ultrasonik (menggunakan UP400S) menggunakan MD, WPI, dan campurannya, dengan kandungan bahan kering 40% dan kandungan minyak 9% (berat/berat). Emulsifikasi ultrasonik menghasilkan tetesan yang jauh lebih kecil, pengendapan yang lebih sedikit, serta stabilitas emulsi yang lebih baik secara keseluruhan.
(studi dan grafik: Zungur et al., 2015)
Probe Ultrasonik untuk Emulsifikasi yang Efisien
Hielscher menawarkan berbagai macam ultrasonicator dan aksesori tipe probe untuk emulsifikasi dan dispersi cairan yang efisien dalam mode batch dan flow-through.
Sistem yang terdiri dari beberapa prosesor ultrasonik masing-masing hingga 16.000 watt, menyediakan kapasitas yang dibutuhkan untuk menerjemahkan aplikasi lab ini ke dalam metode produksi yang efisien untuk mendapatkan emulsi yang tersebar halus dalam aliran kontinu atau dalam batch – sehingga mencapai hasil yang sebanding dengan homogeniser bertekanan tinggi terbaik yang tersedia saat ini, seperti katup lubang baru. Selain efisiensi yang tinggi dalam pencampuran terus-menerus, Perangkat hielscher ultrasonik memerlukan pemeliharaan yang sangat rendah, sangat mudah dioperasikan dan mudah dibersihkan. USG sebenarnya mendukung pembersihan dan pembilasan. Kekuatan ultrasonik dapat diubah dan dapat disesuaikan dengan produk tertentu. Juga untuk flow cell reaktor dengan sistem baru CIP (clean-di-tempat) dan SIP (sterilize-in-place) tersedia juga dengan persyaratan tertentu.
MultiSonoReactor MSR-4 adalah reaktor homogenisasi inline industri yang cocok untuk proses emulsifikasi (nano) dengan throughput tinggi.
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 0.5 untuk 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L / mnt | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator adalah aksesori bertenaga yang kompatibel dengan reaktor sel aliran ultrasonik Hielscher: Dengan menggunakan insert MPC48, fase terdispersi disuntikkan melalui 48 kanula berupa aliran cairan tipis ke dalam zona panas ultrasonik, di mana fase terdispersi dan fase kontinu dicampur menjadi tetesan-tetesan mikroskopis untuk membentuk nanoemulsi.
Temukan bagaimana MultiPhaseCavitator meningkatkan proses emulsifikasi!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Literatur / Referensi
- 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
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Pengertian Istilah “Emulsi”
Emulsi adalah campuran dari dua atau lebih cairan yang tidak dapat bercampur, seperti minyak dan air.
Emulsi dapat berupa minyak dalam air (di mana tetesan minyak tersebar dalam air) atau air dalam minyak (di mana tetesan air tersebar dalam minyak). Emulsi digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk produk makanan (seperti saus salad dan mayones), kosmetik (seperti lotion dan krim), dan obat-obatan (seperti vaksin).
Pengemulsi bekerja dengan mengurangi tegangan permukaan antara dua zat yang tidak dapat bercampur (seperti minyak dan air) dalam emulsi. Ini mengurangi kecenderungan kedua zat untuk terpisah dan memungkinkan mereka membentuk campuran yang stabil.
Bagaimana Emulsi dibuat Stabil?
Emulsi dibuat stabil dengan mencegah fase terdispersi (tetesan satu cairan) menyatu dan terpisah dari fase kontinu (cairan di sekitarnya). Beberapa poin penting harus dipertimbangkan untuk mencapai stabilitas emulsi:
- Pengemulsi (Surfaktan):
– Peranan: Pengemulsi adalah molekul yang memiliki ujung hidrofilik (menarik air) dan hidrofobik (penolak air).
– Perbuatan: Mereka mengurangi tegangan permukaan antara dua cairan yang tidak dapat bercampur dan membentuk lapisan pelindung di sekitar tetesan, mencegahnya menyatu.
– Contoh: Lesitin, polisorbat, dan natrium stearoyl lactylate. - Metode Mekanis:
Pencampuran Kinerja Tinggi: Menggunakan mixer atau homogenizer geser tinggi untuk memecah tetesan menjadi ukuran yang lebih kecil, meningkatkan luas permukaan dan meningkatkan stabilitas. Sonikator tipe probe adalah metode yang sangat baik dan sangat andal menggunakan gaya geser sonomekanik. Gaya geser ultrasonik ini memecah tetesan besar menjadi tetesan kecil dan memadukan fase yang tidak dapat bercampur menjadi emulsi yang stabil. - Pengubah Viskositas:
Pengental: Meningkatkan viskositas fase kontinu dapat memperlambat pergerakan tetesan, mengurangi kemungkinan penggabungan.
– Contoh: Permen karet xanthan, guar gum, dan karboksimetil selulosa. - Agen Penstabil:
– Polimer: Polimer dapat memberikan stabilisasi sterik dengan membentuk lapisan tebal di sekitar tetesan.
– Contoh: Pektin, gelatin, dan protein tertentu. - Stabilisasi Elektrostatik:
– Dakwa: Beberapa pengemulsi memberikan muatan listrik ke permukaan tetesan, menyebabkannya saling tolak dan dengan demikian mengurangi penggabungan.
– Contoh: Natrium kaseinat dan lesitin kedelai. - Kontrol Suhu:
– Pendingin: Menurunkan suhu dapat meningkatkan viskositas fase kontinu dan mengurangi energi kinetik tetesan, mencegah penggabungan.
– Menghindari Pemisahan Fase: Memastikan suhu tetap dalam kisaran yang mencegah komponen terpisah. - Aditif:
– Antioksidan: Mencegah oksidasi dapat membantu menjaga integritas pengemulsi dan komponen lainnya.
– Agen Pengkeliat: Mengikat ion logam yang mungkin mengganggu kestabilan emulsi.
Dengan menerapkan teknik emulsifikasi yang tepat, emulsi dapat dibuat stabil, memastikan bahwa campuran tetap homogen dan mempertahankan sifat yang diinginkan dari waktu ke waktu.
Pengemulsi Menstabilkan
Secara umum, emulsi memerlukan stabilisasi menggunakan agen pengemulsi atau surfaktan. Pengemulsi bersifat amfifilik – mereka menarik air dan zat lemak. Ini berarti mereka memiliki sifat hidrofilik (cinta air) dan hidrofobik (menyukai minyak), yang memungkinkan mereka untuk berinteraksi dengan fase minyak dan air emulsi. Bagian hidrofilik dari molekul pengemulsi menempel pada molekul air, sedangkan bagian hidrofobik menempel pada molekul minyak.
Dengan mengelilingi tetesan minyak dengan molekul pengemulsi, pengemulsi menciptakan lapisan pelindung di sekitar tetesan yang mencegahnya bersentuhan satu sama lain dan menyatu (bergabung bersama) untuk membentuk tetesan yang lebih besar. Ini membantu menjaga emulsi tetap stabil dan mencegah pemisahan.
Karena penggabungan tetesan setelah gangguan mempengaruhi distribusi ukuran tetesan akhir, pengemulsi penstabil yang efisien digunakan untuk mempertahankan distribusi ukuran tetesan akhir pada tingkat yang sama dengan distribusi segera setelah gangguan tetesan di zona dispersi ultrasonik. Stabilisator sebenarnya mengarah pada gangguan tetesan yang lebih baik pada kepadatan energi konstan.
Contoh pengemulsi yang umum digunakan termasuk lesitin (yang ditemukan dalam kuning telur dan kedelai), mono dan digliserida, polisorbat 80, dan natrium stearoyl laktilat.
Miniemulsi, yang dapat dibuat secara efisien oleh ultrasonikasi, meningkatkan reaksi kimia. Polimerisasi makroemulsi (a) versus polimerisasi miniemulsi (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.