超音波キャビテーションによる乳化
化粧品やスキンローション、医薬品軟膏、ワニス、塗料、潤滑剤、燃料など、幅広い中間製品や消費者製品は、エマルジョンに完全または部分的に基づいています。ヒールシャーは、生産工場で大量のストリームの効率的な乳化のための世界最大の工業用超音波液体プロセッサを製造しています。
超音波乳化
研究室では、超音波の乳化力は知られており、超音波の均質化と乳化に関連するさまざまな利点のために長い間適用されてきました。信頼性の高い超音波乳化は、超音波プローブ、いわゆるソノトロードの使用に基づいています。超音波プローブを介して、高強度の超音波が液体に結合され、音響キャビテーションが発生します。超音波または音響キャビテーションは高いせん断力を生成し、大きな液滴をナノサイズの液滴まで破壊するために必要なエネルギーを提供します。これにより、2つ以上の液相が均一なサブミクロンまたはナノエマルジョンに混合されます。
超音波フローセルを使用すると、連続フロースルーで大量のストリームを処理するナノエマルジョンの工業生産への線形スケールアップが可能になります。
マルチフェーズキャビテーター: ユニークなヒールシャーフローセルインサートMPC48は、ヒールシャー超音波フローセルリアクターと互換性のある強力なアクセサリーです。インサートMPC48を使用して、分散相は、48カニューレを介して細い液体ストランドとして超音波ホットゾーンに注入され、そこで分散相と連続相は、ナノエマルジョン中に微細な液滴として混合されます。 超音波フローセルインサートMPC48の詳細をご覧ください!
超音波装置は、サブミクロンおよびナノサイズのエマルジョンを製造するのに信頼性および効率的である。
超音波乳化の利点
プローブ型超音波装置を使用した超音波乳化は、他の乳化技術に比べていくつかの利点があります。
- エマルジョンの安定性の向上: 超音波乳化は、より小さな液滴サイズおよびより均一な液滴分布を作り出し、その結果、乳剤の安定性が向上し、貯蔵寿命が長くなります。サブミクロンおよびナノサイズの液滴は、パワー超音波を使用して確実に生成できます。
- エネルギー効率: 超音波乳化は、他の乳化方法よりも少ないエネルギーを必要とするため、よりエネルギー効率の高いプロセスになります。
- スケーラビリティ: 超音波乳化は、必要な量に応じて容易にスケールアップまたはスケールダウンすることができ、実験室と産業の両方の用途に汎用性の高いプロセスとなっています。
- 時間の節約: 超音波乳化は非常に迅速なプロセスであり、エマルジョンは液体、量、装置に応じて数秒から数分で形成されます。
- 界面活性剤の必要性の低減: 超音波乳化は、エマルジョンを安定させるためにしばしば必要とされる界面活性剤の必要性を減らすことができます。ただし、液滴サイズを小さくすると、粒子の表面積が増加し、界面活性剤で覆う面積が増えます。超音波処理は、代替および新規の乳化剤を含むほぼすべての種類の界面活性剤と互換性があります。
- 最小限で制御可能な発熱: 超音波乳化は非熱的プロセスであり、処理中の発熱を回避またはわずかに低減することができます。これにより、敏感な化合物や成分の熱劣化のリスクが軽減されます。
プローブ型超音波装置を使用した超音波乳化の利点は、食品および飲料、医薬品、化粧品、ファインケミカル、燃料など、さまざまな分野での乳化に最適な選択肢となります。
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水中油型(O / W)エマルジョン(赤水/黄油)の超音波調製。数秒の超音波処理により、別々の水/油相が微細なエマルジョンに変わります。
下のビデオは、UP400Sラボ用超音波装置を使用して、油(黄色)を水(赤)に乳化するプロセスを示しています。
エマルジョンとは?エマルジョンは、2つ以上の非混和性液体の分散液です。高濃度の超音波は、液相(分散相)を第2相(連続相)の小さな液滴に分散させるのに必要な電力を供給します。分散ゾーンでは、爆縮するキャビテーション気泡が周囲の液体に集中的な衝撃波を引き起こし、高い液体速度の液体ジェットが形成されます。
超音波処理によって効率的に作り出すことができるミニエマルジョンは、化学反応を促進します。マクロエマルジョン重合(a)とミニエマルジョン重合(b)の比較 [Schork et al. 2005: 136]
ナノエマルジョン – 超音波装置のための力の適用
ナノエマルジョンは、典型的には100ナノメートル未満のサイズの液滴を有するエマルジョンである。ナノエマルジョンは、従来のエマルジョンに比べて、独自の機能特性、より高い安定性、透明性など、いくつかの利点を提供します。
超音波処理は、特にナノエマルジョンの形成に関しては、従来の乳化技術を凌駕しています。これは、超音波の高効率でエネルギー集約的な動作原理によるものです。
超音波乳化の働き原則
超音波乳化プロセスは、音響キャビテーションの力を使用します。音響キャビテーションとは、高強度の超音波にさらされた液体媒体中の小さな気泡の形成、成長、および爆縮崩壊の現象を指します。これらの気泡の爆縮により、激しい局所的な圧力と温度の勾配が生成され、高せん断力、衝撃波、マイクロジェットが発生し、大きな粒子や凝集体が小さな粒子に分解される可能性があります。左の写真は、超音波装置のプローブで生成された超音波キャビテーションを示しています UIP1000hdT (1000ワット)液体充填ガラスカラムで。
乳化およびナノ乳化では、音響キャビテーションの強度は、エマルジョン中の液滴のサイズを小さくする上で重要な役割を果たします。キャビテーション気泡の爆縮性崩壊は、大きな液滴を小さな液滴に分解する強いせん断力を生み出す可能性があります。さらに、キャビテーションによって生成される局所的な圧力および温度勾配は、新しい液滴の形成を促進し、エマルジョンを安定させることもできます。
音響キャビテーションのユニークな側面は、高い機械的または熱的ストレスを必要とせずに、液体媒体に局所的で強いエネルギー入力を提供する能力です。これにより、乳化プロセスに必要なエネルギー入力を削減しながら、液滴サイズを小さくし、液滴サイズ分布を狭くすることができるため、ナノ乳化にとって魅力的な技術となっています。
これらの正確に制御可能な超音波力により、音響キャビテーションはナノ乳化のための強力なツールです。局所的で強力なエネルギー入力を生成する能力により、サブミクロンおよびナノサイズの液滴を形成する大きな液滴を非常に高い効率で分解することができます。
水中油中(水相)および油中水(油相)エマルジョンの研究は、エネルギー密度と液滴サイズ(例えば、ザウター直径)との間の相関を示しています。エネルギー密度が増加すると、液滴サイズが小さくなる傾向が明らかになります(右のグラフィックをクリックしてください).適切なエネルギー密度レベルでは、超音波はナノ範囲の平均液滴サイズを簡単かつ確実に達成できます。
効率的な乳化のための超音波プローブ
ヒールシャーは、バッチおよびフロースルーモードでの液体の効率的な乳化および分散のためのプローブ型超音波装置および付属品の広い範囲を提供しています。
それぞれ最大16,000ワットのいくつかの超音波プロセッサからなるシステムは、このラボアプリケーションを効率的な製造方法に変換して、連続フローまたはバッチで微細に分散したエマルジョンを得るために必要な容量を提供します – 新しいオリフィスバルブなど、現在入手可能な最高の高圧ホモジナイザーに匹敵する結果を達成しています。連続乳化におけるこの高効率に加えて、ヒールシャー超音波装置は非常に低いメンテナンスを必要とし、操作と清掃が非常に簡単です。超音波は実際にクリーニングおよびすすぎを支える。超音波出力は調整可能で、特定の製品や乳化要件に適合させることができます。高度なCIP(定置洗浄)およびSIP(定置滅菌)の要件を満たす特殊なフローセルリアクターもご用意しています。
MultiSonoReactor MSR-4は、高スループットの(ナノ)乳化プロセスに適した工業用インライン均質化反応器です。
| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 0.5〜1.5mL | N.A. | バイアルツイーター | 1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
| 10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
| 0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
| 10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
| 15〜150L | 3〜15L /分 | UIP6000hdT |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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ヒールシャー超音波は、実験室、パイロットおよび工業規模での混合アプリケーション、分散、乳化および抽出のための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献/参考文献
- 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.
知っておく価値のある事実
用語の定義 “乳剤”
エマルジョンは、油と水などの2つ以上の非混和性液体の混合物です。
エマルジョンは、水中油型(油滴が水中に分散している状態)または油中水型(水滴が油中に分散している状態)のいずれかです。エマルジョンは、食品(サラダドレッシングやマヨネーズなど)、化粧品(ローションやクリームなど)、医薬品(ワクチンなど)など、さまざまな用途で使用されています。
乳化剤は、エマルジョン中の2つの非混和性物質(油と水など)の間の表面張力を低下させることによって機能します。これにより、2つの物質が分離する傾向が減少し、安定した混合物を形成することができます。
エマルジョンはどのようにして安定するのですか?
エマルジョンは、分散相(1つの液体の液滴)が合体して連続相(周囲の液体)から分離するのを防ぐことで安定になります。エマルジョンの安定性を達成するためには、いくつかの重要なポイントを考慮する必要があります。
- 乳化剤(界面活性剤):
– 役割： 乳化剤は、親水性(水を引き付ける)末端と疎水性(撥水)の両方の末端を持つ分子です。
– アクション： それらは、2つの非混和性液体間の表面張力を減少させ、液滴の周囲に保護層を形成し、液滴が合体するのを防ぎます。
– 例： レシチン、ポリソルベート、およびステアロイル乳酸ナトリウム。 - 機械的方法:
高性能ミキシング: 高せん断ミキサーまたはホモジナイザーを使用して液滴を小さなサイズに分解し、表面積を増やし、安定性を高めます。プローブ型ソニケーターは、ソノメカニカルせん断力を使用する優れた非常に信頼性の高い方法です。これらの超音波せん断力は、大きな液滴を微細な液滴に分解し、非混和性相を安定なエマルジョンにブレンドします。 - 粘度調整剤:
増 粘 剤： 連続相の粘度を上げると、液滴の動きが遅くなり、合体の可能性が減少します。
– 例： キサンタンガム、グアーガム、カルボキシメチルセルロース。 - 安定化剤:
– ポリマー： ポリマーは、液滴の周囲に厚い層を形成することにより、立体安定性を提供できます。
– 例： ペクチン、ゼラチン、および特定のタンパク質。 - 静電安定化:
– チャージ： 一部の乳化剤は、液滴の表面に電荷を付与し、液滴を互いに反発させ、凝集を減少させます。
– 例： カゼインナトリウムと大豆レシチン。 - 温度制御:
– 冷却： 温度を下げると、連続相の粘度が上昇し、液滴の運動エネルギーが減少し、合体を防ぐことができます。
– 位相分離の回避: 温度がコンポーネントの分離を防ぐ範囲内に保たれるようにします。 - 添加 物：
– 抗 酸化 物質： 酸化を防ぐことで、乳化剤やその他の成分の完全性を維持することができます。
– キレート剤: エマルジョンを不安定にする可能性のある金属イオンを結合します。
乳化の適切な技術を適用することで、エマルジョンを安定させることができ、混合物が均質なままで、時間の経過とともに目的の特性を保持することが保証されます。
安定化乳化剤
一般に、エマルジョンは乳化剤や界面活性剤による安定化が必要です。乳化剤は両親媒性があり、水と脂肪質の両方を引き付けます。これは、それらが親水性(水を好む)および疎水性(油を好む)の特性を持っていることを意味し、これにより、エマルジョンの油相と水相の両方と相互作用することができます。乳化剤分子の親水性部分は水分子に付着し、疎水性部分は油分子に付着します。
油滴を乳化剤分子で囲むことにより、乳化剤は液滴の周囲に保護層を作成し、液滴が互いに接触して合体(結合)してより大きな液滴を形成するのを防ぎます。これにより、エマルジョンを安定させ、分離を防ぐことができます。
破壊後の液滴の合体が最終液滴サイズ分布に影響を与えるので、効率的に安定化乳化剤を使用して、最終液滴サイズ分布を超音波分散ゾーンにおける液滴破壊直後の分布に等しいレベルに維持する。スタビライザーは、実際には一定のエネルギー密度で液滴の乱れを改善します。
一般的に使用される乳化剤の例としては、レシチン(卵黄や大豆に含まれる)、モノグリセリドとジグリセリド、ポリソルベート80、ステアロイル乳酸ナトリウムなどがあります。
