超音波キャビテーションによる乳化
幅広い中間製品および一般向け製品 – 化粧品、スキンローション、医薬用軟膏、ワニス、塗料、潤滑油、燃料など – は、その全部または一部がエマルションを基にしている。
ヒールシャー社は、生産プラントにおける大容量流体の効率的な乳化処理向けに、世界最大級の産業用超音波液体処理装置を製造しています。
超音波乳化の仕組み
実験室での用途： 実験室環境においては、超音波による均質化や乳化に伴う様々な利点から、超音波の乳化能力は古くから知られており、応用されてきました。
テクノロジー
信頼性の高い超音波乳化は、ソノトロードとも呼ばれる超音波プローブの使用に基づいています。そのプロセスは次のように行われます：
- 超音波カップリング： 超音波プローブを介して、高強度の超音波が液体に伝達され、音響キャビテーションが発生する。
- キャビテーション効果： 超音波または音響キャビテーションにより高いせん断力が発生し、これが大きな液滴をナノサイズの液滴まで破砕するために必要なエネルギーを供給します。
- エマルジョンの形成： 2つ以上の液相を混合し、均一なサブミクロンまたはナノエマルジョンを形成する。
フロースルー技術による工業規模へのスケールアップ: 超音波フローセルを使用することで、ナノエマルジョンの工業生産へと直線的なスケールアップが可能となり、連続流方式で大量の流体を処理することができる。
UP400ST超音波処理装置を用いた透明ナノエマルションの超音波調製。
超音波乳化の利点
プローブ型超音波発生装置を用いた超音波乳化は、他の乳化技術に比べていくつかの利点がある：
- 乳化安定性の向上 超音波乳化は、より小さな液滴サイズとより均一な液滴分布を作り出し、乳化安定性の向上と保存期間の延長をもたらします。サブミクロンおよびナノサイズの液滴は、パワー超音波を用いて確実に生成することができます。
- エネルギー効率： 超音波乳化は、他の乳化方法よりもエネルギーが少なくて済むため、よりエネルギー効率の高いプロセスとなる。
- スケーラビリティ： 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るため、実験室と工業用アプリケーションの両方で汎用性の高いプロセスとなっている。
- 時間の節約： 超音波乳化は非常に迅速なプロセスであり、液体、容量、装置にもよるが、数秒から数分でエマルションが形成される。
- 界面活性剤の必要性を低減： 超音波乳化は、エマルシ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る。しかし、液滴サイズが小さくなると、粒子の表面積が大きくなり、界面活性剤で覆う面積が増える。超音波処理は、代替乳化剤や新規乳化剤を含む、ほとんどすべての種類の界面活性剤に適合する。
- 発熱を最小限に抑え、制御可能： 超音波乳化は非加熱プロセスであり、処理中の発熱は回避されるか、わずかに低減される。そのため、敏感な化合物や成分の熱劣化のリスクが低減される。
プローブ型超音波発生装置による超音波乳化の利点は、食品・飲料、医薬品、化粧品、ファインケミカル、燃料など様々な分野での乳化に優れた選択肢となる。
超音波マヨネーズ乳化についてもっと読む！
超音波処理によるパラフィンワックスエマルションの製造についてもっと読む！
超音波を使用して製造されたディーゼル水中油型エマルションについてもっと読む！
DLS測定の結果、超音波を用いて調製したローズオイル・イン・ウォーター型エマルジョンの液滴径分布が均一であることが示された。
エマルジョンとは？エマルションは、2つ以上の混じり合わない液体の分散液である。液相（分散相）を第2液相（連続相）中の小滴に分散させるために必要なパワーを、高強度超音波が供給します。分散ゾーンでは、崩壊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、その結果、液速度が速い液体ジェットが形成されます。
ナノエマルジョン – 超音波処理装置の用途
ナノエマルションは、一般的に100ナノメートル以下の大きさの液滴を有するエマルションである。ナノエマルションは、ユニークな機能特性、高い安定性、透明性など、従来のエマルションと比較していくつかの利点があります。
超音波は、特にナノエマルションの形成に関しては、従来の乳化技術に勝る。これは、超音波の非常に効率的でエネルギー集約的な作動原理によるものである。
下のビデオは、ラボ用超音波発生装置UP400Sを使用した、油（黄色）の水（赤色）への乳化プロセスを示しています。
超音波乳化の原理
音響キャビテーション：超音波乳化およびナノ乳化の原動力
超音波乳化は、高強度の超音波が液体中を通過する際に生じる現象である「音響キャビテーション」の強力な作用を利用しています。この過程において、微細な気泡が形成・成長し、その後激しく崩壊します。 これらの気泡が内向きの崩壊を起こすことで、局所的に極めて過酷な条件が生じます。これには、激しい圧力および温度勾配、高いせん断力、衝撃波、液体の微細ジェットなどが含まれます。これらの力により、大きな粒子、液滴、凝集体が効果的に分解され、はるかに微細な構造へと変化します。
左の画像は、液体で満たされたガラスカラム内で動作する超音波プロセッサー「UIP1000hdT」（1000 W）によって発生する音響キャビテーションを示しています。
音響キャビテーションが乳化をどのように改善するか
乳化およびナノ乳化のいずれにおいても、キャビテーションの強度は液滴サイズを決定する重要な要因である。キャビテーション気泡が崩壊する際、生じるせん断力によって大きな液滴がより小さな液滴へと分断される。同時に、局所的な圧力および温度の変化が新たな液滴の形成を促進するとともに、エマルジョンの安定化に寄与する。
この液滴の破砕と安定化の組み合わせにより、超音波技術は、極めて微細な液滴径分布を持つ、非常に均一なエマルジョンを生成することが可能となります。
（a）従来の均質化法、（b）超音波均質化法（UP400Sを使用）により調製した、MD、WPIおよびそれらの混合物を含む水・オリーブオイルエマルジョンの液滴径分布。乾燥物質含有量40％、油分含有量9％（重量比）の試料を用いた。超音波による乳化では、液滴径が著しく小さくなり、分離現象が少なく、エマルジョンの全体的な安定性が向上した。
(調査とグラフ：Zungur他、2015年）
効率的な乳化のための超音波プローブ
Hielscher 社は、バッチ式およびフロースルー式で液体を効率的に乳化・分散させるプローブタイプの超音波発生装置とアクセサリーを幅広く提供しています。
それぞれ最大16,000ワットの超音波プロセッサー数台で構成されるシステムは、この研究室でのアプリケーションを、連続フローまたはバッチで微細分散エマルションを得る効率的な製造方法に変換するのに必要な能力を提供する。 – 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ます。連続乳化におけるこの高い効率に加えて、Hielscherの超音波装置はメンテナンスが非常に少なく、操作や洗浄が非常に簡単です。超音波は実際に洗浄とすすぎをサポートします。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）やSIP（定置殺菌）の要件を満たす特殊なフローセルリアクターもご利用いただけます。
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ホモジナイザーです。
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 00.5〜1.5mL | n.a. | バイアルツイーター | 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| 15～150L | 3～15L/分 | UIP6000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
マルチフェーズキャビテーター (MPC48)
MultiPhaseCavitatorは、Hielscher社の超音波フローセルリアクターに対応した高性能なアクセサリーです。インサートMPC48を使用することで、分散相が48本のカニューレを通じて細い液流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が微細な液滴として混合され、ナノエマルジョンが形成されます。
MultiPhaseCavitatorが乳化をどのように向上させるか、ぜひご覧ください！
Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
知っておくべき事実
用語の定義 “エマルジョン”
エマルションとは、油と水のような2つ以上の混じり合わない液体の混合物である。
エマルションには、水中油型（油滴が水中に分散しているもの）と油中水型（水滴が油中に分散しているもの）がある。エマルションは、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る。
乳化剤は、エマルション中の2つの混じり合わない物質（油と水など）の間の表面張力を低下させる働きをします。これにより、2つの物質が分離する傾向が弱まり、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化するのか？
エマルションは、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によって安定になります。エマルションの安定性を得るためには、いくつかの重要なポイントを考慮しなければならない：
- 乳化剤（界面活性剤）：
– 役割 乳化剤は、親水性（水を引き寄せる）と疎水性（水をはじく）の両末端を持つ分子である。
– アクション これらは2つの混じり合わない液体の間の表面張力を低下させ、液滴の周りに保護層を形成し、液滴が合体するのを防ぐ。
– 例を挙げよう： レシチン、ポリソルベート、ステアロイル乳酸ナトリウム。 - 機械的な方法：
高性能ミキシング： 高せん断ミキサーやホモジナイザーを使って液滴を細かくし、表面積を増やして安定性を高める。プローブタイプのソニケーターは、ソノメカニカルな剪断力を利用した、非常に信頼性の高い優れた方法である。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、非混和相を混合して安定したエマルションにします。 - 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、合体の可能性が低くなる。
– 例を挙げよう： 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で、立体安定化をもたらすことができる。
– 例を挙げよう： ペクチン、ゼラチン、特定のタンパク質。 - 静電安定化：
– チャージする： 乳化剤の中には、液滴の表面に電荷を与え、液滴同士を反発させ、合体を抑えるものもある。
– 例を挙げよう： カゼインナトリウムと大豆レシチン。 - 温度管理：
– 冷却： 温度を下げると連続相の粘度が上がり、液滴の運動エネルギーが低下して合体を防ぐことができる。
– 位相分離を避ける： 成分が分離しない範囲に温度が保たれるようにする。 - 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保つことができる。
– 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させる。
適切な乳化技術を適用することで、エマルションを安定化させることができ、混合物が均質な状態を保ち、長期にわたって望ましい特性を維持することができる。
安定化乳化剤
一般的に、エマルションは乳化剤や界面活性剤を用いて安定化させる必要がある。乳化剤は両親媒性であり、水と脂肪物質の両方を引き寄せる。つまり、親水性（水を好む）と疎水性（油を好む）の性質を持ち、エマルシ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結合し、疎水性部分は油分子に結合する。
油滴を乳化剤分子で取り囲むことで、乳化剤は油滴の周りに保護層を作り、油滴同士が接触したり、合体して大きな油滴になるのを防ぎます。これにより、エマルションが安定し、分離を防ぐことができます。
破壊後の液滴の合体は最終的な液滴サイズ分布に影響を与えるため、効率的に安定化する乳化剤を使用して、最終的な液滴サイズ分布を超音波分散ゾーンでの液滴破壊直後の分布と同じレベルに維持する。安定化乳化剤は、一定のエネルギー密度で液滴の破壊を改善します。
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）、モノおよびジグリセリド、ポリソルベート80、ステアロイル乳酸ナトリウムなどが挙げられる。
ミニエマルションは、超音波処理によって効率的に作ることができ、化学反応を促進する。マクロエマルション重合（a）とミニエマルション重合（b） [Schork et al.］
