Emulsionante per cavitazione ultrasonica

Un'ampia gamma di prodotti intermedi e di consumo, come cosmetici e lozioni per la pelle, unguenti farmaceutici, vernici, pitture, lubrificanti e carburanti, si basano in tutto o in parte su emulsioni. Hielscher produce i più grandi processori industriali di liquidi a ultrasuoni al mondo per l'emulsione efficiente di flussi di grandi volumi negli impianti di produzione.

Emulsificazione ad ultrasuoni

In laboratorio, il potere emulsionante degli ultrasuoni è noto e applicato da molto tempo grazie ai vari vantaggi legati all'omogeneizzazione e all'emulsionamento a ultrasuoni. L'emulsificazione a ultrasuoni affidabile si basa sull'uso di sonde a ultrasuoni, i cosiddetti sonotrodi. Attraverso la sonda a ultrasuoni, gli ultrasuoni ad alta intensità vengono accoppiati ai liquidi e creano cavitazione acustica. La cavitazione ultrasonica o acustica genera elevate forze di taglio, che forniscono l'energia necessaria per disgregare gocce di grandi dimensioni fino a gocce di dimensioni nanometriche. In questo modo, due o più fasi liquide vengono miscelate in un'emulsione uniforme di dimensioni submicroniche o nano.

Vantaggi dell'emulsificazione a ultrasuoni

L'emulsionamento a ultrasuoni con un ultrasuonatore a sonda offre diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche di emulsionamento:

1. Miglioramento della stabilità dell'emulsione: L'emulsificazione a ultrasuoni crea gocce di dimensioni ridotte e una distribuzione più uniforme delle gocce, con conseguente miglioramento della stabilità dell'emulsione e una maggiore durata di conservazione. Con gli ultrasuoni di potenza è possibile produrre in modo affidabile gocce di dimensioni submicroniche e nanometriche.
2. Efficienza energetica: L'emulsionamento a ultrasuoni richiede meno energia rispetto ad altri metodi di emulsionamento, rendendolo un processo più efficiente dal punto di vista energetico.
3. Scalabilità: L'emulsionamento a ultrasuoni può essere facilmente scalato verso l'alto o verso il basso a seconda del volume richiesto, rendendolo un processo versatile sia per le applicazioni di laboratorio che per quelle industriali.
4. Risparmio di tempo: L'emulsificazione a ultrasuoni può essere un processo molto rapido, con formazione di emulsioni in pochi secondi o minuti, a seconda dei liquidi, del volume e dell'apparecchiatura.
5. Ridotta necessità di tensioattivi: L'emulsificazione a ultrasuoni può ridurre la necessità di tensioattivi, spesso necessari per stabilizzare le emulsioni. Tuttavia, con una dimensione ridotta delle gocce, l'area superficiale della particella aumenta e deve essere coperta da un tensioattivo. L'ultrasuonizzazione è compatibile con quasi tutti i tipi di tensioattivi, compresi emulsionanti alternativi e nuovi.
6. Generazione di calore minima e controllabile: L'emulsificazione a ultrasuoni è un processo non termico e la generazione di calore durante la lavorazione può essere evitata o ridotta in minima parte. In questo modo, si riduce il rischio di degradazione termica di composti o ingredienti sensibili.

Complessivamente, i vantaggi dell'emulsionamento a ultrasuoni con l'ausilio di un ultrasuonatore a sonda ne fanno una scelta popolare per l'emulsionamento in diversi campi, tra cui alimenti e bevande, prodotti farmaceutici, cosmetici, chimica fine e carburanti.

Preparazione ad ultrasuoni di un'emulsione olio in acqua (O/W) (acqua rossa / olio giallo). Pochi secondi di sonicazione trasformano le fasi separate acqua / olio in un'emulsione fine.

 
 
Il video qui sotto mostra il processo di emulsione dell'olio (giallo) in acqua (rosso) utilizzando l'ultrasuonatore da laboratorio UP400S.

Cos'è un'emulsione?
Le emulsioni sono dispersioni di due o più liquidi immiscibili. Gli ultrasuoni ad alta intensità forniscono la potenza necessaria per disperdere una fase liquida (fase dispersa) in piccole gocce in una seconda fase (fase continua). Nella zona di dispersione, le bolle di cavitazione implodenti causano intense onde d'urto nel liquido circostante e provocano la formazione di getti di liquido ad alta velocità del liquido.

nanoemulsioni – Un'applicazione di potenza per gli ultrasuoni

Le nanoemulsioni sono emulsioni con gocce di dimensioni tipicamente inferiori a 100 nanometri. Le nanoemulsioni offrono diversi vantaggi rispetto alle emulsioni tradizionali, tra cui proprietà funzionali uniche, maggiore stabilità, trasparenza, ecc.
L'ultrasuonoterapia supera le tecnologie di emulsionamento tradizionali, soprattutto per quanto riguarda la formazione di nanoemulsioni. Ciò è dovuto al principio di funzionamento altamente efficiente e ad alta intensità energetica degli ultrasuoni.

Principio di funzionamento dell'emulsificazione a ultrasuoni

I processi di emulsificazione a ultrasuoni utilizzano le forze della cavitazione acustica. La cavitazione acustica si riferisce al fenomeno della formazione, della crescita e del collasso implosivo di piccole bolle in un mezzo liquido sottoposto a onde ultrasonore ad alta intensità. L'implosione di queste bolle genera intensi gradienti locali di pressione e temperatura, che possono creare forze di taglio elevate, onde d'urto e microgetti in grado di frantumare grandi particelle e agglomerati in particelle più piccole. L'immagine a sinistra mostra la cavitazione ultrasonica generata dalla sonda dell'ultrasonorizzatore UIP1000hdT (1000 watt) in una colonna di vetro riempita di liquido.
Nell'emulsificazione e nella nano-emulsificazione, l'intensità della cavitazione acustica svolge un ruolo critico nella riduzione delle dimensioni delle goccioline nell'emulsione. Il collasso implosivo delle bolle di cavitazione può creare forti forze di taglio che rompono le gocce più grandi in gocce più piccole. Inoltre, i gradienti locali di pressione e temperatura generati dalla cavitazione possono promuovere la formazione di nuove goccioline e stabilizzare l'emulsione.
L'aspetto unico della cavitazione acustica è la sua capacità di fornire un apporto energetico localizzato e intenso al mezzo liquido, senza la necessità di elevate sollecitazioni meccaniche o termiche. Ciò la rende una tecnica interessante per la nano-emulsificazione, in quanto può ridurre l'apporto di energia richiesto per il processo di emulsificazione, ottenendo al contempo gocce di dimensioni più piccole e una distribuzione dimensionale più ristretta.
Grazie a queste forze ultrasoniche controllabili con precisione, la cavitazione acustica è uno strumento potente per la nano-emulsificazione. La sua capacità di generare un apporto di energia localizzato e intenso consente di rompere gocce più grandi formando gocce di dimensioni submicroniche e nanometriche con un'efficienza molto elevata.

Studi su emulsioni in acqua (fase acquosa) e acqua in olio (fase oleosa) hanno dimostrato la correlazione tra la densità di energia e la dimensione delle gocce (ad es. diametro Sauter). Vi è una chiara tendenza a ridurre la dimensione delle gocce all'aumentare della densità di energia (clicca sul grafico a destra). A livelli appropriati di densità di energia, gli ultrasuoni possono raggiungere facilmente e in modo affidabile dimensioni medie delle gocce nell'ordine dei nano.

Sonde a ultrasuoni per un'emulsione efficiente

Hielscher offre un'ampia gamma di ultrasuonatori a sonda e di accessori per l'emulsione e la dispersione efficiente dei liquidi in modalità batch e flow-through.
I sistemi costituiti da diversi processori a ultrasuoni fino a 16.000 watt ciascuno, forniscono la capacità necessaria per tradurre questa applicazione di laboratorio in un efficiente metodo di produzione per ottenere emulsioni finemente disperse in flusso continuo o in batch. – ottenendo risultati paragonabili a quelli dei migliori omogeneizzatori ad alta pressione oggi disponibili, come la nuova valvola dell'orifizio. Oltre a questa elevata efficienza nell'emulsificazione continua, gli apparecchi ad ultrasuoni Hielscher richiedono una manutenzione molto bassa e sono molto facili da usare e pulire. L'ecografia supporta effettivamente la pulizia e il risciacquo. La potenza degli ultrasuoni è regolabile e può essere adattata a particolari prodotti ed esigenze di emulsificazione. Sono disponibili anche reattori a celle a flusso speciali che soddisfano i requisiti avanzati CIP (clean-in-place) e SIP (sterilizzazione sul posto).