Emulsionare con la cavitazione a ultrasuoni
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.
emulsione ad ultrasuoni
In laboratorio, il potere emulsionante degli ultrasuoni è noto e applicato da 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 nanometriche.
L'uso di celle di flusso a ultrasuoni consente di scalare linearmente la produzione industriale di nanoemulsioni trattando flussi di grandi volumi in flusso continuo.
MultifaseCavitatore: L'esclusivo inserto per celle a flusso Hielscher MPC48 è un potente accessorio compatibile con i reattori a celle a flusso a ultrasuoni Hielscher. Utilizzando l'inserto MPC48, la fase dispersa viene iniettata attraverso 48 cannule sotto forma di sottili filamenti liquidi nella zona calda a ultrasuoni, dove la fase dispersa e la fase continua vengono miscelate sotto forma di minuscole goccioline in una nanoemulsione. Per saperne di più sull'inserto per cella a ultrasuoni MPC48!
Vantaggi dell'emulsificazione a ultrasuoni
L'emulsionamento a ultrasuoni con un ultrasuonatore a sonda offre diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche di emulsionamento:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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'ultrasonicazione è compatibile con quasi tutti i tipi di tensioattivi, compresi emulsionanti alternativi e nuovi.
- 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.
I vantaggi dell'emulsionamento a ultrasuoni mediante un ultrasonorizzatore a sonda ne fanno una scelta eccellente per l'emulsionamento in diversi campi, tra cui alimenti e bevande, prodotti farmaceutici, cosmetici, chimica fine e combustibili.
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Il video qui sotto mostra il processo di emulsione dell'olio (giallo) in acqua (rosso) utilizzando l'ultrasuonatore da laboratorio UP400S.
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, l'implosione delle bolle di cavitazione provoca intense onde d'urto nel liquido circostante e porta alla formazione di getti di liquido ad alta velocità.
Nano-emulsioni – 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 di formazione, crescita e 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.
Gli studi sulle emulsioni di olio in acqua (fase acquosa) e di acqua in olio (fase oleosa) hanno dimostrato la correlazione tra la densità di energia e le dimensioni delle gocce (ad esempio, il diametro Sauter). C'è una chiara tendenza a ridurre le dimensioni delle gocce all'aumentare della densità di energia (fare clic 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 metodo di produzione efficiente 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 a orifizio. Oltre a questa elevata efficienza nell'emulsione continua, i dispositivi a ultrasuoni Hielscher richiedono una manutenzione molto ridotta e sono molto facili da usare e da pulire. Gli ultrasuoni supportano infatti la pulizia e il risciacquo. La potenza degli ultrasuoni è regolabile e può essere adattata a particolari prodotti e requisiti di emulsionamento. Sono disponibili anche reattori speciali a cella di flusso che soddisfano i requisiti avanzati CIP (clean-in-place) e SIP (sterilize-in-place).
Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
---|---|---|
0,5-1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / Riferimenti
- 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.
Particolarità / Cose da sapere
Definizione del termine “Emulsione”
Un'emulsione è una miscela di due o più liquidi immiscibili, come olio e acqua.
Le emulsioni possono essere olio in acqua (in cui le goccioline di olio sono disperse in acqua) o acqua in olio (in cui le goccioline di acqua sono disperse in olio). Le emulsioni sono utilizzate in diverse applicazioni, tra cui prodotti alimentari (come condimenti per insalata e maionese), cosmetici (come lozioni e creme) e farmaceutici (come i vaccini).
Un emulsionante agisce riducendo la tensione superficiale tra le due sostanze immiscibili (come olio e acqua) in un'emulsione. Questo riduce la tendenza delle due sostanze a separarsi e permette loro di formare una miscela stabile.
Come si rende stabile un'emulsione?
Un'emulsione viene resa stabile impedendo alla fase dispersa (goccioline di un liquido) di coalescere e separarsi dalla fase continua (il liquido circostante). Per ottenere la stabilità delle emulsioni è necessario considerare diversi punti chiave:
- Emulsionanti (tensioattivi):
– Ruolo: Gli emulsionanti sono molecole che presentano sia estremità idrofile (che attirano l'acqua) sia idrofobe (che la respingono).
– Azione: Riducono la tensione superficiale tra i due liquidi immiscibili e formano uno strato protettivo intorno alle gocce, impedendo che si coalizzino.
– Esempi: Lecitina, polisorbati e stearoil lattilato di sodio. - Metodi meccanici:
Miscelazione ad alte prestazioni: L'utilizzo di miscelatori o omogeneizzatori ad alto coefficiente di taglio consente di rompere le gocce in dimensioni più piccole, aumentando l'area superficiale e migliorando la stabilità. I sonicatori a sonda sono un metodo eccellente e molto affidabile che utilizza forze di taglio sonomeccaniche. Queste forze di taglio ultrasoniche rompono le gocce grandi in gocce minuscole e mescolano le fasi immiscibili in un'emulsione stabile. - Modificatori di viscosità:
Addensanti: L'aumento della viscosità della fase continua può rallentare il movimento delle gocce, riducendo la probabilità di coalescenza.
– Esempi: Gomma xantana, gomma di guar e carbossimetilcellulosa. - Agenti stabilizzanti:
– Polimeri: I polimeri possono fornire una stabilizzazione sterica formando uno strato spesso intorno alle gocce.
– Esempi: Pectina, gelatina e alcune proteine. - Stabilizzazione elettrostatica:
– Addebito: Alcuni emulsionanti conferiscono una carica elettrica alla superficie delle goccioline, facendole respingere l'una dall'altra e riducendo così la coalescenza.
– Esempi: Caseinato di sodio e lecitina di soia. - Controllo della temperatura:
– Raffreddamento: L'abbassamento della temperatura può aumentare la viscosità della fase continua e ridurre l'energia cinetica delle gocce, impedendo la coalescenza.
– Evitare la separazione di fase: Assicurarsi che la temperatura rimanga all'interno di un intervallo che impedisca la separazione dei componenti. - Additivi:
– Antiossidanti: La prevenzione dell'ossidazione può contribuire a mantenere l'integrità dell'emulsionante e degli altri componenti.
– Agenti chelanti: Legare gli ioni metallici che altrimenti potrebbero destabilizzare l'emulsione.
Applicando la giusta tecnica di emulsionatura, le emulsioni possono essere rese stabili, garantendo che la miscela rimanga omogenea e mantenga le proprietà desiderate nel tempo.
Emulsionanti stabilizzanti
In generale, le emulsioni devono essere stabilizzate con un agente emulsionante o un tensioattivo. Gli emulsionanti sono anfifilici - attirano sia l'acqua che le sostanze grasse. Ciò significa che hanno proprietà idrofile (che amano l'acqua) e idrofobe (che amano l'olio), il che consente loro di interagire sia con la fase oleosa che con quella acquosa dell'emulsione. La parte idrofila della molecola emulsionante si attacca alle molecole d'acqua, mentre la parte idrofoba si attacca alle molecole d'olio.
Circondando le goccioline di olio con le molecole di emulsionante, quest'ultimo crea uno strato protettivo intorno alle goccioline che impedisce loro di entrare in contatto tra loro e di coalescere (unirsi) per formare goccioline più grandi. Ciò contribuisce a mantenere stabile l'emulsione e ne impedisce la separazione.
Poiché la coalescenza delle gocce dopo la disgregazione influenza la distribuzione finale delle dimensioni delle gocce, vengono utilizzati emulsionanti efficienti per mantenere la distribuzione finale delle dimensioni delle gocce a un livello uguale a quello della distribuzione immediatamente successiva alla disgregazione delle gocce nella zona di dispersione a ultrasuoni. Gli stabilizzatori consentono di migliorare la disgregazione delle gocce a densità energetica costante.
Esempi di emulsionanti comunemente utilizzati sono la lecitina (che si trova nel tuorlo d'uovo e nella soia), i mono- e digliceridi, il polisorbato 80 e il sodio stearoil-lattilato.