Pengemulsi dengan Kavitasi Ultrasonik
Berbagai macam produk menengah dan konsumen, seperti kosmetik dan lotion kulit, salep farmasi, pernis, cat dan pelumas dan bahan bakar sepenuhnya atau sebagian didasarkan pada emulsi. Hielscher memproduksi prosesor cairan ultrasonik industri terbesar di dunia untuk pengemulsi aliran volume besar yang efisien di pabrik produksi.
Teknologi emulsifikasi ultrasonik
Di laboratorium, kekuatan emulsifikasi ultrasound telah diketahui dan diterapkan sejak lama karena berbagai manfaat yang terkait dengan homogenisasi dan emulsifikasi ultrasonik. Emulsifikasi ultrasonik yang andal didasarkan pada penggunaan probe ultrasonik, yang disebut sonotrode. Melalui probe ultrasonik, ultrasound intensitas tinggi digabungkan menjadi cairan dan menciptakan kavitasi akustik. Kavitasi ultrasonik atau akustik menghasilkan gaya geser yang tinggi, yang memberikan energi yang dibutuhkan untuk mengganggu tetesan besar hingga tetesan ukuran nano. Dengan demikian, dua atau lebih fase cair dicampur menjadi emulsi submikron atau nano yang seragam.
Menggunakan sel aliran ultrasonik memungkinkan peningkatan skala linier ke produksi industri nanoemulsi yang memproses aliran volume besar dalam aliran terus menerus.
Kavitator MultiFase: Sisipan sel aliran Hielscher yang unik MPC48 adalah aksesori kuat yang kompatibel dengan reaktor sel aliran ultrasonik Hielscher. Dengan menggunakan sisipan MPC48, fase terdispersi disuntikkan melalui 48 kanula sebagai untaian cairan tipis ke dalam zona panas ultrasonik, di mana fase terdispersi dan fase kontinu dicampur sebagai tetesan kecil ke dalam nanoemulsi. Baca lebih lanjut tentang sisipan sel aliran ultrasonik MPC48!
Ultrasonicators dapat diandalkan dan efisien dalam memproduksi emulsi berukuran submikron dan nano.
Keuntungan dari 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!
Persiapan ultrasonik emulsi minyak dalam air (O/W) (air merah / minyak kuning). Beberapa detik sonikasi mengubah fase air / minyak yang terpisah menjadi emulsi halus.
Video di bawah ini menunjukkan proses emulsifikasi minyak (kuning) menjadi air (merah) dengan menggunakan ultrasonicator lab UP400S.
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.
Miniemulsi, yang dapat dibuat secara efisien oleh ultrasonikasi, meningkatkan reaksi kimia. Polimerisasi makroemulsi (a) versus polimerisasi miniemulsi (b) [Schork et al. 2005: 136]
nano-emulsi – Aplikasi Daya untuk Ultrasonicators
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.
Prinsip Kerja Emulsifikasi Ultrasonik
Proses emulsifikasi ultrasonik menggunakan gaya kavitasi akustik. Kavitasi akustik mengacu pada fenomena pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan ledakan gelembung kecil dalam media cair yang mengalami gelombang ultrasound intensitas tinggi. Ledakan gelembung ini menghasilkan tekanan lokal dan gradien suhu yang intens, yang dapat menciptakan gaya geser tinggi, gelombang kejut, dan jet mikro yang dapat memecah partikel besar dan menggumpal menjadi yang lebih kecil. Gambar kiri menunjukkan kavitasi ultrasonik yang dihasilkan pada probe ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watt) dalam kolom kaca berisi cairan.
Dalam emulsifikasi dan nano-emulsifikasi, intensitas kavitasi akustik memainkan peran penting dalam mengurangi ukuran tetesan dalam emulsi. Keruntuhan gelembung kavitasi yang meledak dapat menciptakan gaya geser yang kuat yang memecah tetesan yang lebih besar menjadi yang lebih kecil. Selain itu, tekanan lokal dan gradien suhu yang dihasilkan oleh kavitasi juga dapat mendorong pembentukan tetesan baru dan menstabilkan emulsi.
Aspek unik dari kavitasi akustik adalah kemampuannya untuk memberikan input energi yang terlokalisasi dan intens ke media cair, tanpa perlu tekanan mekanis atau termal yang tinggi. Ini menjadikannya teknik yang menarik untuk nano-emulsifikasi, karena dapat mengurangi input energi yang diperlukan untuk proses emulsifikasi sambil mencapai ukuran tetesan yang lebih kecil dan distribusi ukuran tetesan yang lebih sempit.
Karena gaya ultrasonik yang dapat dikontrol secara tepat ini, kavitasi akustik adalah alat yang ampuh untuk nano-emulsifikasi. Kemampuannya untuk menghasilkan input energi yang terlokalisasi dan intens memungkinkan untuk memecah tetesan yang lebih besar membentuk tetesan berukuran submikron dan nano dengan efisiensi yang sangat tinggi.
Studi pada emulsi minyak dalam air (fase air) dan emulsi air dalam minyak (fase minyak) telah menunjukkan korelasi antara kepadatan energi dan ukuran tetesan (misalnya Sauter diameter). Ada kecenderungan yang terlihat terhadap ukuran tetesan kecil ketika kepadatan energi meningkatkan.Klik pada grafis yang tepat). Pada tingkat kepadatan energi yang sesuai, ultrasound dapat dengan mudah dan andal mencapai ukuran tetesan rata-rata dalam kisaran nano.
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!
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.
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.
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.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.