ემულგირება ულტრაბგერითი კავიტაციით
შუალედური და სამომხმარებლო პროდუქტების ფართო სპექტრი – როგორიცაა კოსმეტიკა, კანის ლოსიონები, ფარმაცევტული მაზები, ლაქები, საღებავები, საზეთები და საწვავები – სრულად ან ნაწილობრივ ეფუძნება ემულსიებს.
Hielscher აწარმოებს მსოფლიოში უდიდეს სამრეწველო ულტრაბგერით სითხის დამუშავების აპარატებს საწარმოებში დიდი მოცულობის ნაკადების ეფექტური ემულგირებისთვის.
როგორ მუშაობს ულტრაბგერითი ემულგირება
ლაბორატორიული გამოყენება: ლაბორატორიულ პირობებში ულტრაბგერის ემულგირების უნარი დიდი ხანია ცნობილია და გამოიყენება ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციისა და ემულგირების მრავალი უპირატესობის გამო.
ტექნოლოგია
საიმედო ულტრაბგერითი ემულგირება ეფუძნება ულტრაბგერითი ზონდების, ანუ სონოტროდების გამოყენებას. პროცესი შემდეგნაირად მუშაობს:
- ულტრაბგერის შეყვანა: ულტრაბგერითი ზონდის მეშვეობით სითხეებში შეჰყავთ მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა, რაც ქმნის აკუსტიკურ კავიტაციას.
- კავიტაციის ეფექტი: ულტრაბგერითი ან აკუსტიკური კავიტაცია ქმნის მაღალ ძვრის ძალებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ საჭირო ენერგიას დიდი წვეთების დასაშლელად ნანოზომიერ წვეთებად.
- ემულსიის წარმოქმნა: ორი ან მეტი თხევადი ფაზა ერევა ერთგვაროვან სუბმიკრონულ ან ნანო-ემულსიად.
ინდუსტრიული მასშტაბირება ნაკადის ტექნოლოგიის მეშვეობით: ულტრაბგერითი ნაკადის კამერების გამოყენება საშუალებას იძლევა ხდებოდეს ნანოემულსიების ინდუსტრიული წარმოებისთვის წრფივი მასშტაბირება, დიდი მოცულობის ნაკადების უწყვეტი დამუშავებით.
ულტრაბგერითი ემულგირების უპირატესობები
ულტრაბგერითი ემულგირება ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის გამოყენებით გთავაზობთ რამდენიმე უპირატესობას ემულგირების სხვა ტექნიკებთან შედარებით:
- ემულსიის სტაბილურობის გაუმჯობესება: ულტრაბგერითი ემულგირება ქმნის უფრო მცირე ზომის წვეთებს და უფრო ერთგვაროვან წვეთების განაწილებას, რაც იწვევს ემულსიის სტაბილურობის გაუმჯობესებას და შენახვის ვადის გახანგრძლივებას. სუბმიკრონული და ნანოზომიერი წვეთები შეიძლება საიმედოდ მიღებულ იქნას მძლავრი ულტრაბგერის გამოყენებით.
- ენერგოეფექტურობა: ულტრაბგერით ემულგირებას სჭირდება ნაკლები ენერგია სხვა ემულგირების მეთოდებთან შედარებით, რაც მას უფრო ენერგოეფექტურ პროცესად აქცევს.
- მასშტაბირებადობა: ულტრაბგერითი ემულგირება შეიძლება მარტივად გაიზარდოს ან შემცირდეს საჭირო მოცულობის მიხედვით, რაც მას მრავალფეროვან პროცესად აქცევს როგორც ლაბორატორიული, ისე ინდუსტრიული გამოყენებისთვის.
- დროის დაზოგვა: ულტრაბგერითი ემულგირება შეიძლება იყოს ძალიან სწრაფი პროცესი: ემულსიები წარმოიქმნება რამდენიმე წამიდან რამდენიმე წუთამდე დროში, სითხეების, მოცულობისა და აღჭურვილობის მიხედვით.
- სურფაქტანტების საჭიროების შემცირება: ულტრაბგერითმა ემულგირებამ შეიძლება შეამციროს სურფაქტანტების საჭიროება, რომლებიც ხშირად საჭიროა ემულსიების სტაბილიზაციისთვის. თუმცა, წვეთების ზომის შემცირებისას ნაწილაკის ზედაპირის ფართობი იზრდება და მეტი ფართობი უნდა დაიფაროს სურფაქტანტით. ულტრაბგერითი დამუშავება თავსებადია სურფაქტანტების თითქმის ყველა სახესთან, მათ შორის ალტერნატიულ და ახალ ემულგატორებთან.
- მინიმალური და მართვადი სითბოს გამოყოფა: ულტრაბგერითი ემულგირება არათერმული პროცესია და დამუშავებისას სითბოს გამოყოფა შეიძლება თავიდან იქნას აცილებული ან მცირე დონემდე შემცირდეს. ამით მცირდება მგრძნობიარე ნაერთების ან ინგრედიენტების თერმული დაშლის რისკი.
ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის გამოყენებით ულტრაბგერითი ემულგირების უპირატესობები მას შესანიშნავ არჩევანად აქცევს ემულგირებისთვის სხვადასხვა სფეროში, მათ შორის სურსათისა და სასმელების წარმოებაში, ფარმაცევტიკაში, კოსმეტიკაში, ნატიფი ქიმიკატებისა და საწვავის წარმოებაში.
გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი მაიონეზის ემულგირების შესახებ!
გაიგეთ მეტი პარაფინის ცვილის ემულსიების წარმოების შესახებ ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით!
გაიგეთ მეტი წყალი-დიზელში ემულსიების შესახებ, რომლებიც მიღებულია ულტრაბგერის გამოყენებით!
DLS გაზომვა აჩვენებს ულტრაბგერითად მიღებული ვარდის ზეთის წყალში ემულსიის ერთგვაროვან წვეთების ზომის განაწილებას.
რა არის ემულსია?ემულსიები არის ორი ან მეტი ერთმანეთში შეურევადი სითხის დისპერსიები. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა უზრუნველყოფს ენერგიას, რომელიც საჭიროა თხევადი ფაზის (დისპერსიული ფაზის) მცირე წვეთებად დისპერგირებისთვის მეორე ფაზაში (უწყვეტ ფაზაში). დისპერგირების ზონაში კავიტაციის ბუშტების იმპლოზიური კოლაფსი მიმდებარე სითხეში წარმოქმნის ინტენსიურ დარტყმით ტალღებს და იწვევს სითხის მაღალსიჩქარიანი ჭავლების წარმოქმნას.
ნანოემულსიები – სონიკატორების გამოყენების ეფექტური სფერო
ნანოემულსიები არის ემულსიები, რომლებსაც ჩვეულებრივ 100 ნანომეტრზე ნაკლები ზომის წვეთები აქვთ. ნანოემულსიები რამდენიმე უპირატესობას აჩვენებს ჩვეულებრივ ემულსიებთან შედარებით, მათ შორის უნიკალური ფუნქციური თვისებები, უფრო მაღალი სტაბილურობა, გამჭვირვალობა და ა.შ.
ულტრაბგერითი დამუშავება ტრადიციულ ემულგირების ტექნოლოგიებს სჯობნის, განსაკუთრებით ნანოემულსიების წარმოქმნისას. ეს განპირობებულია ულტრაბგერის მოქმედების უაღრესად ეფექტური და ენერგეტიკულად ინტენსიური პრინციპით.
ქვემოთ მოცემული ვიდეო აჩვენებს ზეთის (ყვითელი) ემულსიფიკაციის პროცესს წყალში (წითელი) UP400S ლაბორატორიული ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით.
ულტრაბგერითი ემულსიფიკაციის სამუშაო პრინციპი
აკუსტიკური კავიტაცია: ულტრაბგერითი ემულსიფიკაციისა და ნანო-ემულსიფიკაციის მამოძრავებელი ძალა
ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ძლიერ ეფექტებს, ფენომენს, რომელიც მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღების სითხეში გავლისას ხდება. ამ პროცესის დროს მიკროსკოპული ბუშტუკები წარმოიქმნება, იზრდება და შემდეგ მძლავრად კოლაფსირებს. ამ ბუშტუკების იმპლოზიური კოლაფსი ქმნის ექსტრემალურ ლოკალურ პირობებს, მათ შორის წნევისა და ტემპერატურის მკვეთრ გრადიენტებს, მაღალ ძვრის ძალებს, დარტყმით ტალღებს და სითხის მიკროჭავლებს. ეს ძალები ეფექტურად შლიან დიდ ნაწილაკებს, წვეთებს და აგლომერატებს ბევრად მცირე სტრუქტურებად.
მარცხნივ გამოსახულია UIP1000hdT ულტრაბგერითი პროცესორის (1000 W) მიერ სითხით სავსე მინის კოლონში შექმნილი აკუსტიკური კავიტაცია.
როგორ აუმჯობესებს აკუსტიკური კავიტაცია ემულსიფიკაციას
როგორც ემულსიფიკაციაში, ისე ნანო-ემულსიფიკაციაში, კავიტაციის ინტენსივობა წვეთის ზომის განსაზღვრის გადამწყვეტი ფაქტორია. როდესაც კავიტაციის ბუშტუკები იშლება, წარმოქმნილი ძვრის ძალები დიდ წვეთებს უფრო მცირე წვეთებად შლიან. ამავდროულად, ლოკალიზებული წნევისა და ტემპერატურის ცვლილებები ხელს უწყობს ახალი წვეთების წარმოქმნას და ემულსიის სტაბილიზაციას.
წვეთების დაშლისა და სტაბილიზაციის ეს კომბინაცია საშუალებას აძლევს ულტრაბგერით ტექნოლოგიას, წარმოქმნას უაღრესად ერთგვაროვანი ემულსიები განსაკუთრებით წვრილი წვეთების ზომითი განაწილებით.
წყლისა და ზეითუნის ზეთის ემულსიების წვეთების ზომის განაწილება, რომლებიც მომზადებულია (a) კლასიკური ჰომოგენიზაციის მეთოდით და (b) ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციის (UP400S-ის გამოყენებით) მეთოდით MD-ს, WPI-ს და მათი ნარევის გამოყენებით, მშრალი ნივთიერების 40% და ზეთის 9% (w/w) შემცველობით. ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია იძლევა მნიშვნელოვნად უფრო მცირე წვეთებს, ნაკლებ კრემირებას და ემულსიის უკეთეს საერთო სტაბილურობას.
(კვლევა და გრაფიკები: Zungur et al., 2015)
ულტრაბგერითი ზონდები ეფექტური ემულსიფიკაციისთვის
Hielscher გთავაზობთ ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი დამუშავების მოწყობილობებისა და აქსესუარების ფართო სპექტრს სითხეების ეფექტური ემულსიფიკაციისა და დისპერსიისთვის პარტიულ და ნაკადურ რეჟიმში.
რამდენიმე ულტრაბგერითი პროცესორისგან შემდგარი სისტემები, რომელთაგან თითოეულის სიმძლავრე 16,000 ვატამდეა, უზრუნველყოფენ ლაბორატორიული გამოყენების ეფექტურ საწარმოო მეთოდად გარდაქმნისთვის საჭირო წარმადობას, რათა უწყვეტ ნაკადში ან პარტიულ რეჟიმში მიღებულ იქნეს წვრილად დისპერგირებული ემულსიები – შედეგებით, რომლებიც შედარებადია დღეს არსებული საუკეთესო მაღალი წნევის ჰომოგენიზატორების, მაგალითად, ახალი ორიფისის სარქვლის შედეგებთან. უწყვეტი ემულსიფიკაციის ამ მაღალი ეფექტურობის გარდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები მინიმალურ ტექნიკურ მომსახურებას მოითხოვს და მათი ექსპლუატაცია და გაწმენდა ძალიან მარტივია. ულტრაბგერა თავად უწყობს ხელს გაწმენდასა და ჩამორეცხვას. ულტრაბგერითი სიმძლავრე რეგულირებადია და შეიძლება მოერგოს კონკრეტულ პროდუქტებსა და ემულსიფიკაციის მოთხოვნებს. ასევე ხელმისაწვდომია სპეციალური გამდინარე რეაქტორები, რომლებიც აკმაყოფილებენ CIP-ის (ადგილზე გაწმენდის) და SIP-ის (ადგილზე სტერილიზაციის) მაღალ მოთხოვნებს.
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 0,5-დან 1,5mL-მდე | n.a. | VialTweeter | 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| 15-დან 150L-მდე | 3-დან 15L/min-მდე | UIP6000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator არის მძლავრი აქსესუარი, რომელიც თავსებადია Hielscher-ის ულტრაბგერით გამდინარე რეაქტორებთან: MPC48 ჩანართის გამოყენებით დისპერსიული ფაზა 48 კანულის საშუალებით, სითხის წვრილი ჭავლების სახით, შეჰყავთ ულტრაბგერითი ზემოქმედების ინტენსიურ ზონაში, სადაც დისპერსიული ფაზა და უწყვეტი ფაზა უმცირესი წვეთების სახით ირევა და ნანოემულსიას ქმნის.
გაიგეთ, როგორ აუმჯობესებს MultiPhaseCavitator ემულსიფიკაციას!
ლიტერატურა / ლიტერატურული წყაროები
- 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
საინტერესო ფაქტები
ტერმინის “ემულსია” განმარტება
ემულსია არის ორი ან მეტი არაშერევი სითხის ნარევი, როგორიცაა ზეთი და წყალი.
ემულსიები შეიძლება იყოს ზეთი წყალში (სადაც ზეთის წვეთები დისპერსირებულია წყალში) ან წყალი ზეთში (სადაც წყლის წვეთები დისპერსირებულია ზეთში). ემულსიები გამოიყენება მრავალ სფეროში, მათ შორის საკვებ პროდუქტებში (როგორიცაა სალათის სოუსები და მაიონეზი), კოსმეტიკაში (როგორიცაა ლოსიონები და კრემები) და ფარმაცევტიკაში (როგორიცაა ვაქცინები).
ემულგატორი მოქმედებს ორ არაშერევ ნივთიერებას (როგორიცაა ზეთი და წყალი) შორის ზედაპირული დაჭიმულობის შემცირებით. ეს ამცირებს ორი ნივთიერების ერთმანეთისგან გამოყოფის ტენდენციას და საშუალებას აძლევს მათ, შექმნან სტაბილური ნარევი.
როგორ ხდება ემულსიის სტაბილიზაცია?
ემულსიის სტაბილიზაცია ხდება დისპერსიული ფაზის (ერთი სითხის წვეთების) კოალესცენციისა და უწყვეტი ფაზისგან (გარემომცველი სითხისგან) გამოყოფის თავიდან აცილებით. ემულსიების სტაბილურობის მისაღწევად რამდენიმე ძირითადი საკითხია გასათვალისწინებელი:
- ემულგატორები (სურფაქტანტები):
– როლი: ემულგატორები არის მოლეკულები, რომლებსაც აქვთ როგორც ჰიდროფილური (წყლის მიმზიდველი), ისე ჰიდროფობული (წყლის მომგერიებელი) ბოლოები.
– მოქმედება: ისინი ამცირებენ ზედაპირულ დაჭიმულობას ორ არაშერევ სითხეს შორის და ქმნიან დამცავ ფენას წვეთების გარშემო, რითაც ხელს უშლიან მათ კოალესციას.
– მაგალითები: ლეციტინი, პოლისორბატები და ნატრიუმის სტეაროილ ლაქტილატი. - მექანიკური მეთოდები:
მაღალი წარმადობის შერევა: მაღალი ძვრის ძალის მქონე შემრევების ან ჰომოგენიზატორების გამოყენება წვეთების უფრო მცირე წვეთებად დასაშლელად ზრდის ზედაპირის ფართობს და აუმჯობესებს სტაბილურობას. ზონდური ტიპის სონიკატორების გამოყენება შესანიშნავი და ძალიან საიმედო მეთოდია, რომელიც სონომექანიკურ ძვრის ძალებს იყენებს. ეს ულტრაბგერითი ძვრის ძალები შლიან დიდ წვეთებს უმცირეს წვეთებად და აერთიანებენ არაშერევ ფაზებს სტაბილურ ემულსიად. - სიბლანტის მოდიფიკატორები:
შემასქელებლები: უწყვეტი ფაზის სიბლანტის ზრდამ შეიძლება შეანელოს წვეთების მოძრაობა, რაც ამცირებს კოალესცენციის ალბათობას.
– მაგალითები: ქსანთანის გუმფისი, გუარის გუმფისი და კარბოქსიმეთილცელულოზა. - სტაბილიზაციის აგენტები:
– პოლიმერები: პოლიმერებს შეუძლიათ უზრუნველყონ სტერიკული სტაბილიზაცია წვეთების გარშემო სქელი ფენის შექმნით.
– მაგალითები: პექტინი, ჟელატინი და ზოგიერთი ცილა. - ელექტროსტატიკური სტაბილიზაცია:
– მუხტი: ზოგიერთი ემულგატორი წვეთების ზედაპირს ანიჭებს ელექტრულ მუხტს, რის გამოც ისინი ერთმანეთს განიზიდავენ და ამით მცირდება კოალესცენცია.
– მაგალითები: ნატრიუმის კაზეინატი და სოიოს ლეციტინი. - ტემპერატურის კონტროლი:
– გაგრილება: ტემპერატურის დაწევამ შეიძლება გაზარდოს უწყვეტი ფაზის სიბლანტე და შეამციროს წვეთების კინეტიკური ენერგია, რითაც ხელს უშლის კოალესცენციას.
– ფაზების გამოყოფის თავიდან აცილება: ტემპერატურის ისეთ დიაპაზონში შენარჩუნება, რომელიც ხელს უშლის კომპონენტების ერთმანეთისგან გამოყოფას. - დამატებითი ნივთიერებები:
– ანტიოქსიდანტები: ჟანგვის თავიდან აცილებამ შეიძლება ხელი შეუწყოს ემულგატორისა და სხვა კომპონენტების მთლიანობის შენარჩუნებას.
– ქელატირების აგენტები: ლითონის იონების შეკავშირება, რომლებმაც სხვა შემთხვევაში შეიძლება ემულსიის სტაბილურობა დაარღვიონ.
ემულსიფიკაციის სწორი ტექნიკის გამოყენებით, ემულსიები შეიძლება გახდეს სტაბილური, რაც უზრუნველყოფს, რომ ნარევი დარჩეს ჰომოგენური და შეინარჩუნოს სასურველი თვისებები დროთა განმავლობაში.
მასტაბილიზებელი ემულგატორები
ზოგადად, ემულსიები მოითხოვს სტაბილიზაციას ემულგატორის ან ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების გამოყენებით. ემულგატორები ამფიფილურია – ისინი იზიდავენ როგორც წყალს, ისე ცხიმოვან ნივთიერებებს. ეს ნიშნავს, რომ მათ აქვთ ჰიდროფილური (წყალმოყვარული) და ჰიდროფობური (ზეთმოყვარული) თვისებები, რაც მათ საშუალებას აძლევს, ურთიერთქმედებდნენ ემულსიის როგორც ზეთის, ისე წყლის ფაზებთან. ემულგატორის მოლეკულის ჰიდროფილური ნაწილი უკავშირდება წყლის მოლეკულებს, ხოლო ჰიდროფობური ნაწილი უკავშირდება ზეთის მოლეკულებს.
ზეთის წვეთების ემულგატორის მოლეკულებით გარს შემოხვევით ემულგატორი ქმნის დამცავ ფენას წვეთების გარშემო, რომელიც ხელს უშლის მათ ერთმანეთთან კონტაქტსა და კოალესცენციას (შეერთებას) უფრო დიდი წვეთების წარმოქმნით. ეს ხელს უწყობს ემულსიის სტაბილურობის შენარჩუნებას და ხელს უშლის ფაზების გამოყოფას.
რადგან წვეთების დაშლის შემდეგ მათი კოალესცენცია გავლენას ახდენს წვეთების ზომების საბოლოო განაწილებაზე, ეფექტური მასტაბილიზებელი ემულგატორები გამოიყენება ამ განაწილების ისეთ დონეზე შესანარჩუნებლად, რომელიც შეესაბამება ულტრაბგერითი დისპერგირების ზონაში წვეთების დაშლისთანავე მიღებულ განაწილებას. სტაბილიზატორები რეალურად აუმჯობესებენ წვეთების დაშლას ენერგიის მუდმივი სიმკვრივის პირობებში.
ხშირად გამოყენებული ემულგატორების მაგალითებია ლეციტინი (რომელიც გვხვდება კვერცხის გულსა და სოიოს მარცვლებში), მონო- და დიგლიცერიდები, პოლისორბატი 80 და ნატრიუმის სტეაროილ ლაქტილატი.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული ზომიდან სამრეწველო ზომამდე.



