Emulsifikasi dengan Kavitasi Ultrasonik
Berbagai macam produk antara dan produk konsumen – seperti kosmetik, losion kulit, salep farmasi, pernis, cat, pelumas, dan bahan bakar – seluruhnya atau sebagian berbasis emulsi.
Hielscher memproduksi prosesor cairan ultrasonik industri terbesar di dunia untuk emulsifikasi aliran bervolume besar secara efisien di fasilitas produksi.
Cara Kerja Emulsifikasi Ultrasonik
Aplikasi Laboratorium: Di laboratorium, kemampuan emulsifikasi ultrasonik telah lama dikenal dan diterapkan karena berbagai manfaat homogenisasi dan emulsifikasi ultrasonik.
Teknologi
Emulsifikasi ultrasonik yang andal didasarkan pada penggunaan probe ultrasonik, yang juga dikenal sebagai sonotrode. Prosesnya berlangsung sebagai berikut:
- Kopling Ultrasonik: Melalui probe ultrasonik, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dikopel ke dalam cairan, sehingga menghasilkan kavitasi akustik.
- Efek Kavitasi: Kavitasi ultrasonik atau akustik menghasilkan gaya geser yang tinggi, yang menyediakan energi yang diperlukan untuk memecah droplet besar menjadi droplet berukuran nano.
- Pembentukan Emulsi: Dua atau lebih fase cair dicampur menjadi emulsi submikron atau nano yang seragam.
Peningkatan Skala Industri melalui Teknologi Aliran Lewat: Penggunaan sel alir ultrasonik memungkinkan peningkatan skala secara linear hingga produksi nanoemulsi dalam skala industri, dengan memproses aliran bervolume besar dalam aliran lewat kontinu.
Pembuatan nanoemulsi jernih secara ultrasonik menggunakan sonikator UP400ST.
Keunggulan Emulsifikasi Ultrasonik
Emulsifikasi ultrasonik menggunakan sonikator tipe probe menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan teknik emulsifikasi lainnya:
- Peningkatan stabilitas emulsi: Emulsifikasi ultrasonik menghasilkan droplet yang lebih kecil dan distribusi droplet yang lebih seragam, sehingga meningkatkan stabilitas emulsi dan memperpanjang umur simpan. Droplet berukuran submikron dan nano dapat diproduksi secara andal menggunakan ultrasonik berdaya tinggi.
- Efisiensi energi: Emulsifikasi ultrasonik memerlukan lebih sedikit energi dibandingkan metode emulsifikasi lainnya, sehingga prosesnya lebih hemat energi.
- Skalabilitas: Skala emulsifikasi ultrasonik dapat dengan mudah diperbesar atau diperkecil sesuai dengan volume yang diperlukan, sehingga menjadi proses serbaguna untuk aplikasi laboratorium maupun industri.
- Penghematan waktu: Emulsifikasi ultrasonik dapat berlangsung sangat cepat, dengan emulsi terbentuk dalam hitungan detik hingga menit, bergantung pada cairan, volume, dan peralatan.
- Pengurangan kebutuhan surfaktan: Emulsifikasi ultrasonik dapat mengurangi kebutuhan surfaktan, yang sering diperlukan untuk menstabilkan emulsi. Namun, ketika ukuran droplet berkurang, luas permukaan partikel meningkat dan lebih banyak area harus ditutupi oleh surfaktan. Sonikasi kompatibel dengan hampir semua jenis surfaktan, termasuk pengemulsi alternatif dan baru.
- Pembentukan panas yang minimal dan dapat dikendalikan: Emulsifikasi ultrasonik merupakan proses nontermal, dan pembentukan panas selama pemrosesan dapat dihindari atau dikurangi hingga tingkat yang rendah. Dengan demikian, risiko degradasi termal senyawa atau bahan yang sensitif berkurang.
Keunggulan emulsifikasi ultrasonik menggunakan sonikator 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 secara ultrasonik!
Baca lebih lanjut tentang produksi emulsi lilin parafin menggunakan sonikasi!
Baca lebih lanjut tentang emulsi air dalam diesel yang diproduksi menggunakan ultrasonik!
Pengukuran DLS menunjukkan distribusi ukuran droplet yang seragam pada emulsi minyak mawar dalam air yang diproduksi secara ultrasonik.
Apa Itu Emulsi?Emulsi merupakan dispersi dua atau lebih cairan yang tidak saling bercampur. Gelombang ultrasonik berintensitas sangat tinggi menyediakan daya yang diperlukan untuk mendispersikan suatu fase cair (fase terdispersi) dalam bentuk droplet kecil ke dalam fase kedua (fase kontinu). Di zona dispersi, gelembung kavitasi yang mengalami implosi menimbulkan gelombang kejut yang kuat dalam cairan di sekitarnya dan menghasilkan semburan cairan berkecepatan tinggi.
Nanoemulsi – Aplikasi Unggulan Sonikator
Nanoemulsi merupakan emulsi dengan droplet yang biasanya berukuran kurang dari 100 nanometer. Nanoemulsi menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan emulsi konvensional, termasuk sifat fungsional yang unik, stabilitas yang lebih tinggi, transparansi, dan sebagainya.
Sonikasi mengungguli teknologi emulsifikasi tradisional, terutama dalam pembentukan nanoemulsi. Hal ini disebabkan oleh prinsip kerja ultrasonik yang sangat efisien dan berintensitas energi tinggi.
Video di bawah ini menunjukkan proses emulsifikasi minyak (kuning) ke dalam air (merah) menggunakan sonikator laboratorium UP400S.
Prinsip Kerja Emulsifikasi Ultrasonik
Kavitasi Akustik: Gaya Penggerak Emulsifikasi Ultrasonik dan Nanoemulsifikasi
Emulsifikasi ultrasonik mengandalkan efek kuat kavitasi akustik, yaitu fenomena yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berintensitas tinggi melewati cairan. Selama proses ini, gelembung mikroskopis terbentuk, membesar, lalu runtuh dengan hebat. Keruntuhan implosif gelembung ini menghasilkan kondisi lokal yang ekstrem, termasuk gradien tekanan dan suhu yang tajam, gaya geser yang tinggi, gelombang kejut, dan semburan mikro cairan. Gaya-gaya ini secara efektif memecah partikel besar, droplet, 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 kolom kaca berisi cairan.
Cara Kavitasi Akustik Meningkatkan Emulsifikasi
Dalam emulsifikasi maupun nanoemulsifikasi, intensitas kavitasi merupakan faktor utama yang menentukan ukuran droplet. Saat gelembung kavitasi runtuh, gaya geser yang dihasilkan memecah droplet besar menjadi droplet yang semakin kecil. Pada saat yang sama, perubahan tekanan dan suhu lokal mendorong pembentukan droplet baru sekaligus membantu menstabilkan emulsi.
Kombinasi pemecahan dan stabilisasi droplet ini memungkinkan teknologi ultrasonik menghasilkan emulsi yang sangat seragam dengan distribusi ukuran droplet yang sangat halus.
Distribusi ukuran droplet emulsi air–minyak zaitun yang dibuat dengan (a) metode homogenisasi klasik (b) metode homogenisasi ultrasonik (menggunakan UP400S) dengan MD, WPI, dan campurannya, yang memiliki 40% bahan kering dengan kandungan minyak 9% (w/w). Emulsifikasi ultrasonik menghasilkan droplet yang jauh lebih kecil, lebih sedikit pembentukan lapisan krim, dan stabilitas emulsi keseluruhan yang lebih baik.
(studi dan grafik: Zungur et al., 2015)
Probe Ultrasonik untuk Emulsifikasi yang Efisien
Hielscher menawarkan beragam sonikator tipe probe dan aksesori untuk emulsifikasi dan dispersi cairan secara efisien dalam mode batch dan aliran lewat.
Sistem yang terdiri dari beberapa prosesor ultrasonik dengan daya masing-masing hingga 16.000 watt menyediakan kapasitas yang diperlukan untuk mengubah aplikasi laboratorium ini menjadi metode produksi yang efisien guna memperoleh emulsi terdispersi halus dalam aliran kontinu atau dalam batch – dengan hasil yang sebanding dengan homogenizer bertekanan tinggi terbaik yang tersedia saat ini, seperti katup orifis baru. Selain efisiensi tinggi dalam emulsifikasi kontinu ini, perangkat ultrasonik Hielscher memerlukan sangat sedikit pemeliharaan dan sangat mudah dioperasikan serta dibersihkan. Gelombang ultrasonik bahkan mendukung proses pembersihan dan pembilasan. Daya ultrasonik dapat diatur dan disesuaikan dengan produk serta kebutuhan emulsifikasi tertentu. Reaktor sel alir khusus yang memenuhi persyaratan CIP (pembersihan di tempat) dan SIP (sterilisasi di tempat) tingkat lanjut juga tersedia.
MultiSonoReactor MSR-4 merupakan reaktor homogenisasi inline industri yang cocok untuk proses (nano-)emulsifikasi dengan kapasitas pemrosesan yang tinggi.
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 0,5 hingga 1,5mL | tidak berlaku | VialTweeter | 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L/min | UIP6000hdT |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | kelompok perangkat UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator merupakan aksesori berdaya tinggi yang kompatibel dengan reaktor sel alir ultrasonik Hielscher: Dengan menggunakan sisipan MPC48, fase terdispersi diinjeksikan melalui 48 kanula sebagai untaian cairan tipis ke dalam zona panas ultrasonik, tempat fase terdispersi dan fase kontinu dicampur sebagai droplet sangat kecil menjadi nanoemulsi.
Temukan cara MultiPhaseCavitator meningkatkan emulsifikasi!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, pilot, 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 yang Perlu Diketahui
Definisi Istilah “Emulsi”
Emulsi merupakan campuran dua atau lebih cairan yang tidak saling bercampur, seperti minyak dan air.
Emulsi dapat berupa minyak dalam air (droplet minyak terdispersi dalam air) atau air dalam minyak (droplet air terdispersi dalam minyak). Emulsi digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk produk makanan (seperti saus salad dan mayones), kosmetik (seperti losion dan krim), serta produk farmasi (seperti vaksin).
Pengemulsi bekerja dengan mengurangi tegangan permukaan antara dua zat yang tidak saling bercampur (seperti minyak dan air) dalam emulsi. Hal ini mengurangi kecenderungan kedua zat tersebut untuk terpisah dan memungkinkan keduanya membentuk campuran yang stabil.
Bagaimana Emulsi Dibuat Stabil?
Emulsi dibuat stabil dengan mencegah fase terdispersi (droplet suatu cairan) mengalami koalesensi dan terpisah dari fase kontinu (cairan di sekitarnya). Beberapa hal utama perlu dipertimbangkan untuk mencapai stabilitas emulsi:
- Pengemulsi (Surfaktan):
– Peran: Pengemulsi merupakan molekul yang memiliki ujung hidrofilik (menarik air) dan hidrofobik (menolak air).
– Cara kerja: Pengemulsi mengurangi tegangan permukaan antara dua cairan yang tidak saling bercampur dan membentuk lapisan pelindung di sekitar droplet, sehingga mencegah koalesensi.
– Contoh: Lesitin, polisorbat, dan natrium stearoil laktilat. - Metode Mekanis:
Pencampuran Berkinerja Tinggi: Menggunakan pengaduk atau homogenizer dengan gaya geser tinggi untuk memecah droplet menjadi ukuran yang lebih kecil, meningkatkan luas permukaan, dan meningkatkan stabilitas. Penggunaan sonikator tipe probe merupakan metode yang sangat baik dan sangat andal dengan memanfaatkan gaya geser sonomekanis. Gaya geser ultrasonik ini memecah droplet besar menjadi droplet sangat kecil dan mencampurkan fase-fase yang tidak saling bercampur menjadi emulsi yang stabil. - Pengubah Viskositas:
Pengental: Peningkatan viskositas fase kontinu dapat memperlambat pergerakan droplet, sehingga mengurangi kemungkinan koalesensi.
– Contoh: Gom xanthan, gom guar, dan karboksimetil selulosa. - Bahan Penstabil:
– Polimer: Polimer dapat memberikan stabilisasi sterik dengan membentuk lapisan tebal di sekitar droplet.
– Contoh: Pektin, gelatin, dan protein tertentu. - Stabilisasi Elektrostatik:
– Muatan: Beberapa pengemulsi memberikan muatan listrik pada permukaan droplet, sehingga droplet saling tolak-menolak dan koalesensi berkurang.
– Contoh: Natrium kaseinat dan lesitin kedelai. - Pengendalian Suhu:
– Pendinginan: Penurunan suhu dapat meningkatkan viskositas fase kontinu dan mengurangi energi kinetik droplet, sehingga mencegah koalesensi.
– Pencegahan Pemisahan Fase: Memastikan suhu tetap berada dalam rentang yang mencegah komponen-komponen terpisah. - Bahan Tambahan:
– Antioksidan: Pencegahan oksidasi dapat membantu mempertahankan integritas pengemulsi dan komponen lainnya.
– Bahan Pengkelat: Mengikat ion logam yang jika tidak diikat dapat mengganggu stabilitas emulsi.
Dengan menerapkan teknik emulsifikasi yang tepat, emulsi dapat dibuat stabil, sehingga campuran tetap homogen dan mempertahankan sifat yang diinginkan seiring waktu.
Pengemulsi Penstabil
Secara umum, emulsi memerlukan stabilisasi menggunakan bahan pengemulsi atau surfaktan. Pengemulsi bersifat amfifilik – pengemulsi menarik air maupun zat berlemak. Artinya, pengemulsi memiliki sifat hidrofilik (menyukai air) dan hidrofobik (menyukai minyak), yang memungkinkannya berinteraksi dengan fase minyak maupun fase air dalam emulsi. Bagian hidrofilik molekul pengemulsi melekat pada molekul air, sedangkan bagian hidrofobik melekat pada molekul minyak.
Dengan menyelubungi droplet minyak menggunakan molekul pengemulsi, pengemulsi membentuk lapisan pelindung di sekitar droplet yang mencegah droplet saling bersentuhan dan mengalami koalesensi (bergabung) untuk membentuk droplet yang lebih besar. Hal ini membantu menjaga stabilitas emulsi dan mencegah pemisahan.
Karena koalesensi droplet setelah pemecahan memengaruhi distribusi ukuran droplet akhir, pengemulsi yang menstabilkan secara efisien digunakan untuk mempertahankan distribusi ukuran droplet akhir pada tingkat yang sama dengan distribusi segera setelah pemecahan droplet di zona dispersi ultrasonik. Bahan penstabil bahkan meningkatkan pemecahan droplet pada densitas energi yang konstan.
Contoh pengemulsi yang umum digunakan meliputi lesitin (yang terdapat dalam kuning telur dan kedelai), mono- dan digliserida, polisorbat 80, serta natrium stearoil laktilat.
Miniemulsi, yang dapat dibuat secara efisien melalui sonikasi, meningkatkan reaksi kimia. Polimerisasi makroemulsi (a) dibandingkan dengan polimerisasi miniemulsi (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari skala laboratorium hingga industri.