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、幅広い中間製品および消費者製品は、全体的または部分的にエマルジョンに基づいています。ヒールシャーは、生産工場で大量のストリームを効率的に乳化するための世界最大の産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

ラボでは、超音波の乳化力は、超音波均質化と乳化に結びついている様々な利点のために長い間知られており、適用されています。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、高強度超音波が液体に結合され、音響キャビテーションを作成します。超音波または音響キャビテーションは、ナノサイズの液滴まで大きな液滴を破壊するために必要なエネルギーを提供する高いせん断力を生成します。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る。

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超音波処理器は、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際に信頼性が高く効率的です。

超音波処理器は、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際に信頼性が高く効率的です。

超音波乳化の利点

プローブ型超音波処理器を使用した超音波乳化は、他の乳化技術よりもいくつかの利点を提供します。

  1. エマルジョン安定性の向上: 超音波乳化により、液滴サイズが小さくなり、液滴分布が均一になり、乳化安定性が向上し、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。
  2. 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し、それをよりエネルギー効率の高いプロセスにします。
  3. 拡張性: 超音波乳化は、必要な量に応じて簡単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のための汎用性の高いプロセスになります。
  4. 時間の節約: 超音波乳化は、液体、体積および装置に応じて、数秒から数分でエマルジョンが形成される非常に迅速なプロセスであり得る。
  5. 界面活性剤の必要性の減少: 超音波乳化は、エマルジョンを安定化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。しかしながら、液滴サイズが小さくなると、粒子の表面積が増加し、より多くの面積を界面活性剤で覆わなければならない。超音波は、代替および新規乳化剤を含む界面活性剤のほぼすべての種類と互換性があります。
  6. 最小限の制御可能な発熱: 超音波乳化は非熱プロセスであり、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る。これにより、敏感な化合物または成分の熱劣化のリスクが低減される。

全体的に、プローブ型超音波処理器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、ファインケミカルおよび燃料を含む様々な分野での乳化のための人気のある選択肢になります。

Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

水中油(O/W)エマルジョン(赤水/黄油)の超音波調製。超音波処理の数秒は、細かいエマルジョンに別の水/油相を回します。

 
 
以下のビデオは、UP400Sラボ超音波装置を使用して、油(黄色)から水(赤)への乳化プロセスを示しています。

このビデオは、ヒールシャー超音波式UP400Sがナノサイズの水中油エマルジョンを準備する方法を紹介しています。

UP400Sを用いた水中油の乳化

ビデオサムネイル

 

超音波処理は、乳化およびナノ乳化の効果的な技術です。エマルジョンとは何ですか?
エマルジョンは、2種以上の不混和性液体の分散液である。高強度超音波は、液相(分散相)を第2の相(連続相)中の小さな液滴に分散させるのに必要なパワーを供給する。分散ゾーンでは、キャビテーション爆発を爆発させると周囲の液体に強い衝撃波が発生し、高い液体速度の液体ジェットが形成される。
超音波処理によって効率的に作成することができるミニエマルジョンは、重合反応を増強する。

超音波処理によって効率的に作成することができるミニエマルジョンは、化学反応を強化します。マクロ乳化重合(a)対ミニ乳化重合(b)[Schork et al. 2005: 136]

ナノエマルジョン – 超音波装置のための電力アプリケーション

ナノエマルジョンは、典型的にはサイズが100ナノメートル未満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、独自の機能特性、より高い安定性、透明性など、従来のエマルジョンに比べていくつかの利点を提供する。
超音波は、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ます。これは、超音波の非常に効率的でエネルギー集約的な動作原理によるものです。

超音波乳化の動作原理

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicator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。これらの気泡の爆発は、強い局所的な圧力と温度勾配を生成し、大きな粒子や凝集体を小さな粒子に分解できる高せん断力、衝撃波、およびマイクロジェットを生成する可能性があります。左の写真は、液体充填ガラスカラム内の超音波装置UIP1000hdT(1000ワット)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。
乳化およびナノ乳化において、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縮小する上で重要な役割を果たす。キャビテーション気泡の爆発的な崩壊は、大きな液滴をより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る。
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烈なエネルギー入力を提供する能力です。これは、乳化プロセスに必要なエネルギー入力を低減しながら、より小さな液滴サイズとより狭い液滴サイズ分布を達成できるため、ナノ乳化のための魅力的な技術になります。
これらの正確に制御可能な超音波力のために、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。局所的で強烈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より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。

超音波(ヒールシャー超音波)を使用して生成された水油エマルジョン油中水中油における研究(水相)と水(油相)エマルション(例えばザウター直径)エネルギー密度及び液滴サイズとの相関関係を示しています。増加し、エネルギー密度の小さな液滴サイズのための明確な傾向は(あり右グラフィックで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することができます。

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液体の効率的な乳化と分散のためのプローブタイプの超音波装置とアクセサリー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で構成されるシステムは、連続フローまたはバッチで細かく分散したエマルジョンを得るための効率的な製造方法にこのラボアプリケーションを変換するために必要な容量を提供します – こうした新しいオリフィス弁として利用できる今日の最高の高圧ホモジナイザー、のそれに匹敵する結果を達成します。連続乳化でこの高効率に加えて、ヒールシャー超音波デバイスは、非常に低メンテナンスを必要とし、動作するようにしてきれいにする非常に簡単です。超音波は、実際に清掃し、すすぎをサポートしていません。超音波パワーは調整可能であり、特定商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)やSIPを(殺菌・インプレース)の要件満たす特別フローセルリアクターは、あまりにも、ご利用いただけます。

油と水の効率的な乳化のための工業用超音波ホモジナイザー。超音波は、長期的に安定したナノエマルジョンの生産において非常に効率的です。

マルチソノリアクター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ホモジナイズリアクターです。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量流量推奨デバイス
01.5mlの0.5へN.A。VialTweeter
500mLの1〜200mL /分で10UP100H
2000mlの10〜20 400mLの/分Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ04L /分の0.2UIP2000hdT
100Lへ1010L /分で2UIP4000hdT
15から150L3から15リットル/分UIP6000hdT
N.A。10 100L /分UIP16000
N.A。大きなのクラスタ UIP16000

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このビデオは、ヒールシャー超音波プロセッサUP400Sがナノサイズの植物油水中エマルジョンを準備するデモを行っています。

UP400Sを用いた水中の植物油の乳化

ビデオサムネイル

超音波高剪断ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、パイロット、産業加工で使用されます。

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合する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.
  • 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.

知る価値のある事実

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場合)または油中水型(水滴が油中に分散している場合)のいずれかであり得る。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、さまざまな用途に使用されています。
乳化剤は、エマルジョン内の2つの非混和性物質(油や水など)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、それらが安定した混合物を形成することができます。

乳化剤の安定化

一般に、エマルションは乳化剤または界面活性剤を用いた安定化を必要とする。乳化剤は両親媒性であり、水と脂肪物質の両方を引き付けます。これは、それらが親水性(水を愛する)および疎水性(油を愛する)特性を有することを意味し、それはそれらがエマルジョンの油相および水相の両方と相互作用することを可能にする。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する。
油滴を乳化剤分子で囲むことにより、乳化剤は液滴の周りに保護層を形成し、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。これは、エマルジョンを安定に保ち、分離を防ぐのに役立ちます。
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ように、効率的に安定化乳化剤を使用して、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で最終液滴サイズ分布を維持する。安定剤は、実際には一定のエネルギー密度での液滴破壊の改善につながります。
一般的に使用される乳化剤の例には、レシチン(卵黄および大豆に含まれる)、モノグリセリドおよびジグリセリド、ポリソルベート80、およびステアロイル乳酸ナトリウムが含まれる。


高性能超音波!ヒールシャーの製品範囲は、完全工業用超音波システムにベンチトップユニット上のコンパクトラボ超音波装置から完全なスペクトルをカバーしています。

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。


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