超音波キャビテーションによる乳化
化粧品、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向け製品は、全体または一部がエマルションを基盤としています。
Hielscherは、生産設備で大容量の流れ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： 実験室では、超音波による均質化と乳化に伴うさまざまな利点から、超音波の乳化力は古くから知られ、活用されてきました。
技術
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。処理は次のように進みます：
- 超音波の結合： 超音波プローブを介して高強度の超音波を液体に結合させ、音響キャビテーションを発生させます。
- キャビテーションの効果： 超音波キャビテーション、すなわち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にまで破砕するために必要なエネルギーを供給します。
- エマルションの形成： 二つ以上の液相を混合して、均一なサブマイクロメートルエマルションまたはナノエマルションを形成します。
フロースルー技術による産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、連続フロースルー方式で大容量の流れを処理しながら、ナノエマルションの産業生産へ線形にスケールアップできます。
UP400St超音波処理装置を使用した透明なナノエマルションの超音波調製。
超音波乳化の利点
プローブ型超音波処理装置による超音波乳化には、他の乳化技術に比べて次のような利点があります：
- エマルションの安定性向上： 超音波乳化は液滴を小さくし、液滴分布をより均一にするため、エマルションの安定性が向上し、保存期間が長くなります。高出力超音波を使用することで、サブマイクロメートルおよびナノサイズの液滴を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必要なエネルギーが少ないため、エネルギー効率の高いプロセスです。
- スケーラビリティ： 超音波乳化は必要な容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できるため、実験室と産業用途の両方に適した汎用性の高いプロセスです。
- 時間の短縮： 超音波乳化は非常に迅速なプロセスとなり得ます。液体、容量、装置に応じて、数秒から数分でエマルションが形成されます。
- 界面活性剤の必要量の低減： 超音波乳化は、エマルションの安定化に必要となることが多い界面活性剤の必要量を減らすことができます。ただし、液滴サイズが小さくなると粒子の表面積が増え、界面活性剤で覆う必要のある面積も増加します。超音波処理は、代替乳化剤や新規乳化剤を含む、ほぼあらゆる種類の界面活性剤に対応しています。
- 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するか、ごく低い水準に抑えることができます。これにより、熱に敏感な化合物や成分の熱劣化リスクが低減されます。
プローブ型超音波処理装置による超音波乳化の利点により、この技術は食品・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優れた選択肢となります。
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DLS測定は、超音波で製造されたローズオイルの水中油型エマルションの均一な液滴サイズ分布を示しています。
エマルションとは？エマルションは、互いに混和しない二つ以上の液体の分散系です。非常に高強度の超音波は、ある液相（分散相）を小さな液滴として別の相（連続相）中に分散させるために必要な出力を供給します。分散領域では、キャビテーション気泡の爆縮によって周囲の液体に強い衝撃波が生じ、高速の液体ジェットが形成されます。
ナノエマルション – 超音波処理装置の強力な用途
ナノエマルションは、液滴サイズが通常100ナノメートル未満のエマルションです。ナノエマルションには、独自の機能特性、より高い安定性、透明性など、従来のエマルションに比べていくつかの利点があります。
超音波処理は、特にナノエマルションの形成において、従来の乳化技術を上回ります。これは、超音波の動作原理が非常に効率的で、エネルギー強度が高いためです。
下の動画は、実験室用超音波処理装置UP400Sを使用して、油（黄色）を水（赤色）中に乳化するプロセスを示しています。
超音波乳化の動作原理
音響キャビテーション：超音波乳化とナノ乳化を駆動する力
超音波乳化は、高強度の超音波が液体を通過するときに生じる現象である音響キャビテーションの強力な効果を利用します。この過程で、微細な気泡が形成され、成長した後、激しく崩壊します。これらの気泡の爆縮によって、急激な圧力勾配と温度勾配、高いせん断力、衝撃波、液体マイクロジェットなど、局所的に極端な条件が生じます。これらの力は、大きな粒子、液滴、凝集体を、はるかに小さな構造へと効果的に破砕します。
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処理装置UIP1000hdT（1000 W）が発生させ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改善する仕組み
乳化とナノ乳化のいずれにおいても、キャビテーション強度は液滴サイズを決める重要な要因です。キャビテーション気泡が崩壊すると、その結果生じるせん断力が大きな液滴を次第に小さな液滴へと破砕します。同時に、局所的な圧力と温度の変化は、新たな液滴の形成を促進するとともに、エマルションの安定化を助けます。
液滴の破砕と安定化を組み合わせることで、超音波技術は極めて微細な液滴サイズ分布を持つ、非常に均一なエマルションを製造できます。
MD、WPI、およびそれらの混合物を用い、乾物含量40%、油含量9%（w/w）の条件で、（a）従来の均質化法と（b）超音波均質化法（UP400Sを使用）によって調製した水・オリーブオイルエマルションの液滴サイズ分布。超音波乳化により、液滴が大幅に小さくなり、クリーミングが減少し、エマルション全体の安定性が向上します。
（研究およびグラフ：Zungur et al., 2015）
効率的な乳化のための超音波プローブ
Hielscherは、バッチ方式とフロースルー方式で液体を効率的に乳化・分散するための、幅広いプローブ型超音波処理装置とアクセサリーを提供しています。
各装置の出力が最大16,000ワットの超音波処理装置を複数組み合わせたシステムは、この実験室での用途を、連続流またはバッチ方式で微細に分散したエマルションを得る効率的な生産方法へと移行させるために必要な処理能力を提供します – 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が得られます。連続乳化におけるこの高い効率に加え、Hielscherの超音波装置は保守の必要性が非常に低く、操作と洗浄が非常に容易です。超音波は実際に洗浄とすすぎを促進します。超音波出力は調整可能で、特定の製品や乳化要件に合わ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用意されています。
MultiSonoReactor MSR-4は、高い処理量を伴う（ナノ）乳化プロセスに適した産業用インライン均質化リアクターです。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | 該当なし | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | さらに大きい流量 | 複数台の UIP16000 |
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MultiphaseCavitator (MPC48)
MultiphaseCavitatorは、Hielscherの超音波フローセルリアクターに対応する強力なアクセサリーです：インサートMPC48を使用すると、分散相が48本のカニューレを介して細い液体の筋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、ナノエマルションになります。
MultiphaseCavitatorが乳化を改善する仕組みをご覧ください！
Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット、産業規模での混合、分散、乳化、抽出用途に向けた高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考資料
- 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
知っておきたい情報
「エマルション」という用語の定義
エマルションは、油と水のように互いに混和しない二つ以上の液体の混合物です。
エマルションには、水中油型（水中に油滴が分散しているもの）と油中水型（油中に水滴が分散しているもの）があります。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）を含むさまざまな用途に使用されています。
乳化剤は、エマルション中の互いに混和しない二つの物質（油と水など）の間の表面張力を低下させることで作用します。これにより、二つの物質が分離する傾向が抑えられ、安定した混合物を形成できるようになります。
エマルションを安定化するには？
エマルションは、分散相（一方の液体の液滴）が合一して連続相（周囲の液体）から分離するのを防ぐことで安定化されます。エマルションの安定性を確保するには、いくつかの重要な点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（水を引きつける）末端と疎水性（水をはじく）末端の両方を持つ分子です。
– 作用： 互いに混和しない二つの液体の間の表面張力を低下させ、液滴の周囲に保護層を形成して、液滴の合一を防ぎます。
– 例： レシチン、ポリソルベート類、ステアロイル乳酸ナトリウム。 - 機械的方法：
高性能混合： 高せん断ミキサーやホモジナイザーを使用して液滴をより小さく破砕し、表面積を増やして安定性を高めます。プローブ型超音波処理装置は、超音波による機械的せん断力を利用する、優れた非常に信頼性の高い方法です。この超音波せん断力は、大きな液滴を微細な液滴へと破砕し、互いに混和しない相を混合して安定したエマルションを形成します。 - 粘度調整剤：
増粘剤： 連続相の粘度を高めることで液滴の動きを遅くし、合一の可能性を低減できます。
– 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で立体的安定化をもたらすことができます。
– 例： ペクチン、ゼラチン、および特定のタンパク質。 - 静電的安定化：
– 電荷： 一部の乳化剤は液滴表面に電荷を与え、液滴同士を反発させることで合一を低減します。
– 例： カゼインナトリウム、大豆レシチン。 - 温度制御：
– 冷却： 温度を下げることで連続相の粘度を高め、液滴の運動エネルギーを低減し、合一を防ぐことができます。
– 相分離の回避： 成分の分離を防げる範囲内に温度を維持します。 - 添加剤：
– 酸化防止剤： 酸化を防ぐことは、乳化剤や他の成分の完全性を維持するのに役立ちます。
– キレート剤： 結合されなければエマルションを不安定化する可能性のある金属イオンを結合します。
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し、混合物の均一性と望ましい特性を長期にわたって維持できます。
安定化に用いる乳化剤
一般に、エマルションには乳化剤または界面活性剤による安定化が必要です。乳化剤は両親媒性です – 水と脂肪性物質の両方を引きつけます。つまり、親水性（水になじむ性質）と疎水性（油になじむ性質）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します。
乳化剤は、油滴を乳化剤分子で取り囲むことで液滴の周囲に保護層を形成し、液滴同士が接触して合一（結合）し、より大きな液滴になるのを防ぎます。これはエマルションの安定性維持に役立ち、分離を防ぎます。
破砕後の液滴の合一は最終的な液滴サイズ分布に影響するため、効率的に安定化する乳化剤を使用し、最終的な液滴サイズ分布を超音波分散領域での液滴破砕直後の分布と同じ水準に維持します。実際に、安定化剤は一定のエネルギー密度で液滴の破砕を改善します。
一般的に使用される乳化剤の例には、レシチン（卵黄や大豆に含まれる）、モノグリセリドおよびジグリセリド、ポリソルベート80、ステアロイル乳酸ナトリウムがあります。
超音波処理によって効率的に生成できるミニエマルションは、化学反応を促進します。マクロエマルション重合（a）とミニエマルション重合（b）の比較 [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonicsは、 実験室規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。