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.

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Gli ultrasonici sono affidabili ed efficienti nella produzione di emulsioni di dimensioni submicroniche e nanometriche.

Gli ultrasonici sono affidabili ed efficienti nella produzione di emulsioni di dimensioni submicroniche e nanometriche.

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.

Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

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.

Questo video mostra l'ecografo Hielscher UP400S che prepara un'emulsione olio in acqua di dimensioni nanometriche.

Emulsionamento dell'olio in acqua con l'UP400S

Miniatura del video

 

L'ultrasuoni è una tecnica efficace di emulsificazione e nano-emulsificazione.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.
Le miniemulsioni, che possono essere create in modo efficiente con gli ultrasuoni, migliorano le reazioni di polimerizzazione.

Le miniemulsioni, che possono essere create in modo efficiente con gli ultrasuoni, migliorano le reazioni chimiche. Polimerizzazione in macroemulsione (a) contro polimerizzazione in miniemulsione (b) [Schork et al. 2005: 136].

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

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicatorI 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.

Emulsione acqua-olio prodotta con gli ultrasuoni (Hielscher Ultrasonics)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).

Omogeneizzatore industriale a ultrasuoni per l'emulsione efficiente di olio e acqua. L'ultrasuonizzazione è altamente efficiente nella produzione di nanoemulsioni stabili a lungo termine.

Il MultiSonoReactor MSR-4 è un reattore industriale di omogeneizzazione in linea adatto a processi di (nano-)emulsionamento con elevate produzioni.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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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Questo video mostra il processore ad ultrasuoni Hielscher UP400S che prepara un'emulsione di nano olio vegetale in acqua.

Emulsionamento dell'olio vegetale in acqua con l'UP400S

Miniatura del video

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze

  • 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.
  • Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
  • 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.

Emulsionanti stabilizzanti

In generale, le emulsioni richiedono una stabilizzazione mediante 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.


Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.


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