Un'emulsione è costituita da due liquidi immiscibili, finemente dispersi l'uno nell'altro. Nelle emulsioni olio-in-acqua, la fase oleosa (fase dispersa) viene mescolata uniformemente alla fase acquosa (fase continua). Gli emulsionanti a ultrasuoni sono ben noti per preparare emulsioni olio-in-acqua e nano-emulsioni. Le emulsioni a ultrasuoni si distinguono per la dispersione uniforme delle gocce e la stabilità a lungo termine, per cui sono ampiamente utilizzate nei laboratori e nell'industria.

Emulsioni ad ultrasuoni Olio in acqua

Le emulsioni olio in acqua (O/W) sono ampiamente utilizzate in molti prodotti di consumo come alimenti, bevande, cosmetici, prodotti farmaceutici ecc. e nell'industria (ad es. scienza dei materiali, polimeri, vernici, rivestimenti, chimica fine ecc.)

Definizione di emulsione olio in acqua

Un'emulsione olio in acqua è una miscela in cui una fase oleosa viene dispersa in acqua o in un altro liquido acquoso. Piccole goccioline di olio sono finemente disperse nella fase acquosa (fase continua) per creare questa emulsione olio in acqua. Se l'olio (fase dispersa) è disperso in acqua (fase continua), si tratta di un'emulsione olio-in-acqua; se si aggiungono goccioline d'acqua in una fase oleosa continua, si parla di emulsione acqua-in-olio.
Per le emulsioni olio-in-acqua, la qualità dell'emulsione dipende dalla formulazione (rapporto olio/acqua, agente emulsionante) e dalla tecnica di emulsione. Gli emulsionanti a ultrasuoni utilizzano la cavitazione acustica, caratterizzata da intense forze di taglio e turbolenze nel liquido. Queste forze molto intense disgregano le due fasi liquide immiscibili in minuscole goccioline e le mescolano uniformemente tra loro. L'emulsificazione a ultrasuoni può facilmente generare particelle di dimensioni nanometriche con gocce di dimensioni fino a 10 nm. Le dimensioni molto ridotte delle goccioline e la distribuzione omogenea e uniforme delle dimensioni delle goccioline delle emulsioni preparate con gli ultrasuoni fanno della sonicazione la tecnica di emulsificazione preferita.
 

La curva rappresenta la distribuzione delle gocce su scala nanometrica di una nanoemulsione olio-in-acqua dispersa a ultrasuoni. Questa emulsione a ultrasuoni consiste in olio essenziale di menta piperita emulsionato in una fase acquosa continua.

Vantaggi dell'emulsificazione a ultrasuoni

L'emulsificazione ad ultrasuoni eccelle altre tecniche di emulsificazione come l'omogeneizzazione ad alta pressione, la miscelazione ad alta velocità e la microfluidizzazione per efficienza, la produzione costante di nano-gocce, la stabilità ad alta emulsione e la capacità di trattare qualsiasi volume da piccoli tubi e becher a grandi flussi.
Per esempio, Li e Xiang (2019) hanno dimostrato nel loro studio comparativo sull'omogeneizzazione ad alta pressione e l'emulsificazione ad ultrasuoni che l'ultrasonicazione produce emulsioni più uniformi e stabili. L'aggregazione nelle emulsioni olio di cocco in acqua è apparsa solo dopo essere stata sottoposta ad un'omogeneizzazione ad alta pressione, mentre l'emulsione prodotta dall'emulsificazione ad ultrasuoni è rimasta stabile per 30 giorni di conservazione.
Rispetto all'agitazione meccanica, le emulsioni preparate con la tecnica ad ultrasuoni sono risultate più stabili per una maggiore durata nel tempo rispetto alle emulsioni preparate con l'agitazione meccanica, che può essere attribuita alla piccola dimensione delle goccioline che è termodinamicamente stabilizzata. Tecnica ad ultrasuoni dare emulsioni più stabile rispetto al metodo convenzionale di agitazione meccanica. (cfr. Ramisetty e Shyamsunder, 2011)
O'Sullivan et al. (2015) mostrano nel loro studio che l'emulsificazione ad ultrasuoni ha prodotto costantemente emulsioni submicroniche (meno di 200 nm). Tuttavia, le nano-emulsioni con dimensioni uniformi delle goccioline di 10 nm possono essere facilmente e in modo affidabile in condizioni ottimizzate. La dimensione delle goccioline delle emulsioni prodotte ad ultrasuoni è una funzione del tempo di elaborazione e dell'ampiezza ultrasonica sia per l'elaborazione batch che per quella continua.

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 principio di funzionamento dell'emulsificazione a ultrasuoni

La produzione ad ultrasuoni di emulsioni e nano-emulsioni (come emulsioni olio in acqua e acqua in olio) si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica. Per creare la cavitazione acustica, gli ultrasuoni ad alta intensità e a bassa frequenza vengono generati da un trasduttore ad ultrasuoni e trasmessi tramite corno e sonda ad ultrasuoni (sonotrodo) in un liquido. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono considerati ultrasuoni nell'intervallo 16-30kHz. La sonda ad ultrasuoni si espande e si contrae ad esempio a 20kHz, trasmettendo così rispettivamente 20.000 vibrazioni al secondo nel mezzo. Quando le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il liquido, alternando cicli ad alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione / espansione) si creano minuscole cavità (bolle di vuoto), che crescono su diversi cicli di pressione. Durante la fase di compressione del liquido e delle bolle, la pressione è positiva, mentre la fase di rarefazione produce un vuoto (pressione negativa). Durante i cicli di compressione-espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere una dimensione, alla quale non possono assorbire ulteriore energia. A questo punto, implodono violentemente. L'implosione di queste cavità provoca vari effetti altamente energetici, che sono noti come il fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici, che colpiscono i sistemi liquido-liquido, solido-liquido e gas-liquido. La zona ad alta densità di energia o zona cavitazionale è nota come cosiddetta zona hot-spot, che è più densa di energia nelle immediate vicinanze della sonda ad ultrasuoni e diminuisce con l'aumentare della distanza dal sonotrodo. Le caratteristiche principali della cavitazione ultrasonica includono temperature e pressioni molto elevate che si verificano localmente e i rispettivi differenziali, le turbolenze e il flusso di liquido. Durante l'implosione di cavità ultrasoniche in punti caldi ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido fino a 1000km/h. Queste eccezionali condizioni ad alta intensità energetica contribuiscono ad effetti sonomeccanici che intensificano i processi di miscelazione, dispersione ed emulsione altamente efficaci. Le forze di taglio ad ultrasuoni, il flusso di liquido e le turbolenze interrompono le goccioline e le miscelano in modo uniforme tra loro. L'ultrasonicazione ad alte prestazioni produce in modo affidabile nano-gocce con una distribuzione uniforme delle dimensioni. Questo rende l'emulsificazione ad ultrasuoni il metodo preferito per preparare emulsioni olio-in-acqua / nano-emulsioni con elevata stabilità dell'emulsione e durata di conservazione.

Effetti dell'intensità degli ultrasuoni sulla qualità dell'emulsione

La qualità dell'emulsione è caratterizzata principalmente dalla sua stabilità. A sua volta, la stabilità dell'emulsione è un fattore di distribuzione delle dimensioni delle goccioline e della formulazione dell'emulsione.
L'intensità degli ultrasuoni, cioè l'ampiezza e la durata della sonicazione, sono fattori importanti che influenzano la qualità dell'emulsione ottenuta.
Nella ricerca, l'emulsificazione ad ultrasuoni è divisa in due fasi: Durante la prima fase, si verifica una combinazione di onde interfacciali e instabilità di Rayleigh-Taylor, causando l'eruzione di goccioline di fase disperse nella fase continua.
Durante la seconda fase, le gocce vengono disgregate attraverso la cavitazione acustica in prossimità delle fasi limite delle gocce. Gli intensi effetti di rottura e miscelazione delle gocce causati dalle onde d'urto della cavitazione generano gocce di dimensioni molto ridotte. L'intensità, l'ampiezza e il tempo di sonicazione degli ultrasuoni sono responsabili dell'impatto ottenuto dalla cavitazione e quindi i parametri più influenti per quanto riguarda l'emulsionamento di piccole dimensioni. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics sono in grado di fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

Emulsionanti ad ultrasuoni ad alte prestazioni

L'emulsificazione ad ultrasuoni è una tecnologia di elaborazione affidabile, che facilita e accelera la produzione di emulsioni di alta qualità con gocce di dimensioni submicroniche e nanometriche. Il portafoglio Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti ai sistemi industriali per applicazioni di emulsificazione. Questo ci permette di offrire a Hielscher il sistema ad ultrasuoni più adatto alla qualità dell'emulsione prevista e alla capacità di processo. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo all'installazione del vostro sistema ad ultrasuoni a livello di produzione finale.
L'ingombro ridotto dei nostri estrattori a ultrasuoni e la loro versatilità nelle opzioni di installazione li rendono adatti anche a impianti di elaborazione in spazi ristretti. I processori ad ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di produzione di alimenti, farmaci e integratori alimentari.

Ultrasuoni Hielscher – Sofisticati sistemi di emulsificazione

Il portafoglio di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma di emulsionanti ad ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla piccola alla grande scala. Gli accessori aggiuntivi consentono di assemblare facilmente la configurazione di dispositivi ad ultrasuoni più adatta al vostro processo di emulsificazione. La configurazione ottimale degli ultrasuoni dipende dalla capacità prevista, dal volume, dalle materie prime, dal processo in batch o in linea e dalla linea temporale.

Lotto e in linea

Gli emulsionanti ad ultrasuoni Hielscher possono essere utilizzati per l'elaborazione a batch e a flusso continuo. L'elaborazione a ultrasuoni in batch è ideale per il controllo del processo, l'ottimizzazione e la produzione di piccole e medie dimensioni. Per una produzione di grandi volumi di emulsioni, l'elaborazione in linea potrebbe essere più vantaggiosa. Un processo continuo di miscelazione in linea richiede un'impostazione sofisticata – che consiste in una pompa, tubi flessibili o tubazioni e serbatoi -, ma è altamente efficiente, rapido e richiede molta meno manodopera. Hielscher Ultrasonics ha la configurazione di emulsificazione più adatta per il volume di emulsione e gli obiettivi di processo.

Sonde a ultrasuoni e reattori per emulsificazione a qualsiasi dimensione

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori ad ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota fino ai processori ad ultrasuoni completamente industriali con la capacità di processare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'emulsionante ad ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di processo e ai vostri obiettivi di produzione.
I sistemi da banco a ultrasuoni sono ideali per le prove di fattibilità e l'ottimizzazione dei processi. Lo scale-up lineare basato su parametri di processo stabiliti rende molto semplice l'aumento delle capacità di lavorazione da lotti più piccoli a una produzione completamente commerciale. L'up-scaling può essere effettuato sia installando un'unità di estrazione ad ultrasuoni più potente sia raggruppando diversi ultrasuoni in parallelo. Con l'UIP16000, Hielscher offre l'emulsionatore ad ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze precisamente controllabili per risultati ottimali

Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia dell'emulsificazione ad ultrasuoni L'ampiezza è un fattore cruciale, che influenza in modo decisivo la qualità dell'emulsione a ultrasuoni. Tutti i processori Hielscher Ultrasonics consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore al giorno e 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri di processo a ultrasuoni tramite un software intelligente vi danno la possibilità di trattare la vostra emulsione con le condizioni a ultrasuoni più efficaci. Sonicazione ottimale per i migliori risultati di emulsificazione!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Questo rende l'apparecchiatura ad ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i vostri requisiti di emulsificazione.

Test facili e senza rischi

I processi ad ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare. Ciò significa che ogni risultato ottenuto usando un laboratorio o un ultrasuonatore da banco, può essere scalato esattamente alla stessa uscita usando esattamente gli stessi parametri di processo. Ciò rende gli ultrasuoni ideali per prove di fattibilità senza rischi, per l'ottimizzazione del processo e la successiva implementazione nella produzione commerciale. Contattateci per sapere come la sonicazione può migliorare la vostra produzione di emulsioni.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

Come azienda a conduzione familiare e a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori ad ultrasuoni. Tutti gli ultrasonicatori sono progettati, fabbricati e accuratamente testati nella nostra sede centrale a Teltow vicino a Berlino, in Germania. Robustezza e affidabilità delle attrezzature ad ultrasuoni di Hielscher lo rendono un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e in ambienti esigenti è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni di Hielscher.

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