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、医薬軟膏、ワニス、塗料、潤滑油、燃料など、幅広い中間・消費者向け製品は、その全部または一部がエマルションをベースにしています。Hielscher社は、生産工場で大量の流れを効率的に乳化するための世界最大の工業用超音波液体プロセッサーを製造しています。

超音波乳化

研究室では、超音波の乳化力は、超音波ホモジナイゼーションと乳化に結びついた様々な利点により、長い間知られ、応用されてきた。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発生させ、大きな液滴をナノサイズの液滴まで破壊するのに必要なエネルギーを提供する。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ことで、連続フロースルーで大量の流れを処理するナノエマルションの工業生産への直線的なスケールアップが可能になる。
マルチフェーズキャビテーター ユニークなHielscherフローセルインサートMPC48は、Hielscher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を使用すると、分散相は48本のカニューレを通して超音波ホットゾーンに細い液状ストランドとして注入され、分散相と連続相が微小液滴として混合されナノエマルジョンになります。 超音波フローセルインサートMPC48の詳細を読む！

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
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水中油型（O/W）エマルション（赤色水／黄色油）の超音波調製。数秒の超音波処理により、水と油の相が微細なエマルションに変化する。

 
 
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。

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 – 超音波発生装置の電力利用

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。

超音波乳化の原理

超音波乳化プロセスは音響キャビテーションの力を利用する。音響キャビテーションとは、高強度の超音波を受けた液体媒体中で小さな気泡が形成、成長、内破する現象を指す。このような気泡の爆縮により、局所的に強い圧力と温度勾配が発生し、大きなせん断力、衝撃波、マイクロジェットが発生し、大きな粒子や凝集体を小さな粒子に分解することができる。左の写真は、液体で満たされたガラスカラム内の超音波発生装置UIP1000hdT（1000ワット）のプローブで発生し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、エマルション中の液滴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により強いせん断力が発生し、大きな液滴が小さな液滴に分解されます。さらに、キャビテーションによって生じ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化させる。
音響キャビテーションのユニークな点は、高い機械的応力や熱応力を必要とすることなく、液体媒体に局所的かつ強力なエネルギー入力を与えることができる点である。これにより、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狭い液滴サイズ分布を実現できるため、ナノ乳化のための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。局所的かつ強力なエネルギー入力を発生させることができるため、大きな液滴を非常に高い効率で分解し、サブミクロンやナノサイズの液滴を形成することができます。

水中油型（水相）および油中水型（油相）エマルションにおける研究では、エネルギー密度と液滴サイズ（ザウター径など）の相関関係が示されている。エネルギー密度が高くなるにつれて、液滴サイズが小さくなる明らかな傾向がある (右の画像をクリック).適切なエネルギー密度レベルであれば、超音波はナノ領域の平均液滴サイズを容易かつ確実に達成することができる。

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。