초음파 캐비테이션에 의한 유화
다양한 중간재 및 소비재 – 예를 들어 화장품, 스킨 로션, 약용 연고, 바니시, 페인트, 윤활유 및 연료 등 – 전부 또는 일부가 유화액에 기반을 두고 있다.
Hielscher는 생산 현장에서 대용량 유체를 효율적으로 유화 처리하기 위한 세계 최대 규모의 산업용 초음파 액체 처리기를 제조합니다.
초음파 유화 작용 원리
실험실 적용 분야: 실험실 환경에서는 초음파 균질화 및 유화 과정과 관련된 다양한 이점 덕분에, 초음파의 유화 능력이 오랫동안 알려져 왔으며 널리 활용되어 왔다.
기술
신뢰할 수 있는 초음파 유화 공정은 소노트로드라고도 불리는 초음파 프로브를 사용하는 것을 기반으로 합니다. 이 공정의 작동 원리는 다음과 같습니다:
- 초음파 결합: 초음파 프로브를 통해 고강도 초음파가 액체에 전달되어 음향 캐비테이션이 발생합니다.
- 캐비테이션 효과: 초음파 또는 음향 캐비테이션은 높은 전단력을 발생시키며, 이 전단력은 큰 액적들을 나노 크기의 액적으로 분해하는 데 필요한 에너지를 제공합니다.
- 유화 현상: 두 개 이상의 액상 성분이 혼합되어 균일한 서브마이크론 또는 나노 에멀젼을 형성한다.
유동식 기술을 통한 산업적 규모 확대: 초음파 유동 셀을 사용하면 나노에멀션을 산업 규모로 선형적으로 확대 생산할 수 있으며, 대용량 유체를 연속 유동 방식으로 처리할 수 있습니다.
UP400ST 초음파 처리기를 이용한 투명 나노 에멀션의 초음파 제조.
초음파 유화법의 장점
프로브 형 초음파를 사용한 초음파 유화는 다른 유화 기술에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다.
- 향상된 에멀젼 안정성: 초음파 유화는 더 작은 액적 크기와 더 균일한 액적 분포를 생성하여 에멀젼 안정성을 향상시키고 저장 수명을 연장합니다. 서브미크론 및 나노 크기의 액적은 파워 초음파를 사용하여 안정적으로 생성할 수 있습니다.
- 에너지 효율: 초음파 유화는 다른 유화 방법보다 에너지가 덜 필요하여 에너지 효율이 높은 공정입니다.
- 확장성: 초음파 유화는 필요한 부피에 따라 쉽게 확장 또는 축소할 수 있어 실험실 및 산업 응용 분야 모두에서 다양한 공정이 됩니다.
- 시간 절약: 초음파 유화는 액체, 부피 및 장비에 따라 몇 초에서 몇 분 안에 에멀젼이 형성되는 매우 빠른 공정이 될 수 있습니다.
- 계면활성제의 필요성 감소: 초음파 유화는 에멀젼을 안정화하는 데 종종 필요한 계면 활성제의 필요성을 줄일 수 있습니다. 그러나 액적 크기가 줄어들면 입자의 표면적이 증가하고 계면활성제로 더 많은 영역을 덮어야 합니다. 초음파는 대체 및 새로운 유화제를 포함한 거의 모든 종류의 계면 활성제와 호환됩니다.
- 최소 및 제어 가능한 열 생성: 초음파 유화는 비열 공정이며 가공 중 열 발생을 피하거나 약간 줄일 수 있습니다. 따라서 민감한 화합물 또는 성분의 열 분해 위험이 줄어듭니다.
프로브 형 초음파를 사용한 초음파 유화의 장점은 식품 및 음료, 제약, 화장품, 정밀 화학 물질 및 연료를 포함한 다양한 분야의 유화에 탁월한 선택입니다.
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DLS 측정 결과, 초음파를 이용해 제조한 장미 오일-인-워터 에멀전의 입자 크기 분포가 균일한 것으로 나타났습니다.
에멀젼이란 무엇입니까?에멀젼은 두 개 이상의 혼합되지 않는 액체의 분산액입니다. 고도로 집약적인 초음파는 두 번째 단계 (연속상)에서 작은 방울로 액상 (분산상)을 분산시키는 데 필요한 전력을 공급합니다. 분산 영역에서 내파하는 캐비테이션 기포는 주변 액체에 집중적인 충격파를 일으키고 높은 액체 속도의 액체 제트를 형성합니다.
나노 에멀젼 – 초음파 분산기의 응용 분야
나노 에멀젼은 일반적으로 크기가 100나노미터 미만인 물방울이 있는 에멀젼입니다. 나노 에멀젼은 기존 에멀젼에 비해 독특한 기능적 특성, 높은 안정성, 투명성 등 여러 가지 장점을 제공합니다.
초음파는 특히 나노 에멀젼의 형성과 관련하여 전통적인 유화 기술을 능가합니다. 이것은 초음파의 매우 효율적이고 에너지 집약적인 작동 원리 때문입니다.
아래 비디오는 UP400S 실험실 초음파기를 사용하여 기름 (노란색)을 물 (빨간색)로 유화하는 과정을 보여줍니다.
초음파 유화의 작동 원리
음향 캐비테이션: 초음파 유화 및 나노 유화의 원동력
초음파 유화 작용은 고강도 초음파가 액체를 통과할 때 발생하는 현상인 음향 캐비테이션의 강력한 효과에 의존합니다. 이 과정에서 미세한 기포가 형성되고 성장한 뒤 격렬하게 붕괴됩니다. 이러한 기포의 내파적 붕괴는 극심한 국소적 조건을 생성하는데, 여기에는 강렬한 압력 및 온도 구배, 높은 전단력, 충격파, 그리고 액체 미세 분사류가 포함됩니다. 이러한 힘들은 큰 입자, 액적, 응집체를 훨씬 더 작은 구조로 효과적으로 분해합니다.
왼쪽 이미지는 액체가 채워진 유리 컬럼 내에서 작동하는 UIP1000hdT 초음파 처리기(1000W)에 의해 생성된 음향 캐비테이션을 보여줍니다.
음향 캐비테이션이 유화 작용을 어떻게 향상시키는가
유화 및 나노유화 과정 모두에서 캐비테이션 강도는 액적 크기를 결정하는 핵심 요인입니다. 캐비테이션 기포가 붕괴되면서 발생하는 전단력은 큰 액적을 점점 더 작은 액적들로 분쇄합니다. 동시에 국부적인 압력 및 온도 변화는 새로운 액적의 형성을 촉진하는 동시에 유화액의 안정화를 돕습니다.
이러한 액적 분산 및 안정화 과정의 결합 덕분에 초음파 기술은 매우 균일한 유화액을 생성할 수 있으며, 이 유화액은 특히 미세한 액적 크기 분포를 갖습니다.
건조물질 함량 40%, 오일 함량 9%(중량비)인 MD, WPI 및 이들의 혼합물을 사용하여 (a) 기존 균질화 방법과 (b) 초음파 균질화(UP400S 사용) 방법으로 제조한 물-올리브유 유화액의 입자 크기 분포. 초음파 유화법을 적용한 경우 입자 크기가 현저히 작아지고, 크리밍 현상이 줄어들며, 전반적인 유화 안정성이 향상된다.
(연구 및 그래프: Zungur et al., 2015)
효율적인 유화를 위한 초음파 프로브
Hielscher는 배치 및 플로우 스루 모드에서 액체의 효율적인 유화 및 분산을위한 광범위한 프로브 형 초음파 발생기 및 액세서리를 제공합니다.
각각 최대 16,000 와트의 여러 초음파 프로세서로 구성된 시스템은이 실험실 응용 프로그램을 효율적인 생산 방법으로 변환하여 연속 흐름 또는 배치에서 미세하게 분산 된 에멀젼을 얻는 데 필요한 용량을 제공합니다 – 새로운 오리피스 밸브와 같은 오늘날 사용 가능한 최고의 고압 균질화기에 필적하는 결과를 달성합니다. 연속 유화의 이러한 높은 효율 외에도 Hielscher 초음파 장치는 유지 보수가 매우 적게 필요하며 작동 및 청소가 매우 쉽습니다. 초음파는 실제로 세척 및 헹굼을 지원합니다. 초음파 전력은 조정 가능하며 특정 제품 및 유화 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다. 고급 CIP(clean-in-place) 및 SIP(sterilize-in-place) 요구 사항을 충족하는 특수 플로우 셀 반응기도 사용할 수 있습니다.
MultiSonoReactor MSR-4는 처리량이 많은 (나노) 유화 공정에 적합한 산업용 인라인 균질화 반응기입니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.5에서 1.5mL | N.A. 개시 | 바이알트위터 | 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| 15에서 150L | 3 내지 15L/min | UIP6000hdT 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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다중 단계 캐비테이터 (MPC48)
MultiPhaseCavitator는 Hielscher 초음파 유동 셀 반응기와 호환되는 고성능 액세서리입니다. MPC48 인서트를 사용하면 분산상이 48개의 캐뉼라를 통해 가느다란 액체 줄기로 초음파 핫존에 주입되며, 이곳에서 분산상과 연속상이 미세한 액적 형태로 혼합되어 나노에멀젼을 형성합니다.
MultiPhaseCavitator가 유화 효과를 어떻게 향상시키는지 확인해 보세요!
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
용어의 정의 “유제”
에멀젼은 기름과 물과 같은 두 개 이상의 혼합되지 않는 액체의 혼합물입니다.
에멀젼은 오일 인 워터 (오일 방울이 물에 분산되는 경우) 또는 오일 내 수중 (물방울이 오일에 분산되는 경우) 일 수 있습니다. 에멀젼은 식품(예: 샐러드 드레싱 및 마요네즈), 화장품(예: 로션 및 크림) 및 의약품(예: 백신)을 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
유화제는 에멀젼에서 두 가지 혼합되지 않는 물질(예: 기름과 물) 사이의 표면 장력을 줄이는 방식으로 작동합니다. 이것은 두 물질이 분리되는 경향을 줄이고 안정적인 혼합물을 형성할 수 있도록 합니다.
에멀젼은 어떻게 안정적으로 만들어지나요?
에멀젼은 분산된 상(한 액체의 물방울)이 연속상(주변 액체)에서 유착 및 분리되는 것을 방지하여 안정적으로 만들어집니다. 에멀젼의 안정성을 달성하기 위해 몇 가지 핵심 사항을 고려해야 합니다.
- 유화제(계면활성제):
– 역할: 유화제는 친수성(물을 끌어당기는 것)과 소수성(물을 밀어내는 것) 말단을 모두 가진 분자입니다.
– 행동: 두 개의 섞일 수 없는 액체 사이의 표면 장력을 줄이고 액적 주위에 보호층을 형성하여 유착을 방지합니다.
– 예제: 레시틴, 폴리소르베이트 및 스테아로일 락틸레이트 나트륨. - 기계적 방법:
고성능 믹싱: 고전단 믹서 또는 균질화기를 사용하여 액적을 더 작은 크기로 분해하여 표면적을 늘리고 안정성을 향상시킵니다. 프로브 형 초음파 발생기는 초음파 역학 전단력을 사용하는 우수하고 매우 신뢰할 수있는 방법입니다. 이러한 초음파 전단력은 큰 물방울을 미세한 물방울로 분해하고 혼합할 수 없는 상을 안정적인 에멀젼으로 혼합합니다. - 점도 조절제:
농축 기: 연속상의 점도를 높이면 액적의 이동 속도가 느려져 유착 가능성이 줄어들 수 있습니다.
– 예제: 잔탄검, 구아검, 카르복시메틸셀룰로오스. - 안정화제:
– 고분자: 중합체는 액적 주위에 두꺼운 층을 형성하여 입체 안정화를 제공할 수 있습니다.
– 예제: 펙틴, 젤라틴 및 특정 단백질. - 정전기 안정화:
– 충전: 일부 유화제는 물방울 표면에 전하를 부여하여 물방울이 서로 밀어내도록 하여 유착을 줄입니다.
– 예제: 카제인 나트륨 및 대두 레시틴. - 온도 제어:
– 냉각: 온도를 낮추면 연속상의 점도가 증가하고 액적의 운동 에너지가 감소하여 유착을 방지할 수 있습니다.
– 상 분리(phase separation) 방지: 구성 요소가 분리되는 것을 방지하는 범위 내에서 온도가 유지되도록 합니다. - 첨가제:
– 산화 방지 제: 산화를 방지하면 유화제 및 기타 구성 요소의 무결성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
– 킬레이트제: 그렇지 않으면 에멀젼을 불안정하게 만들 수 있는 금속 이온을 결합합니다.
올바른 유화 기술을 적용하면 에멀젼을 안정적으로 만들어 혼합물이 균질하게 유지되고 시간이 지나도 원하는 특성을 유지할 수 있습니다.
안정화 유화제
일반적으로 에멀젼은 유화제 또는 계면활성제를 사용하여 안정화가 필요합니다. 유화제는 양친매성이며 물과 지방 물질을 모두 끌어들입니다. 이는 친수성(물을 좋아하는) 및 소수성(기름을 좋아하는) 특성을 가지고 있음을 의미하며, 이를 통해 에멀젼의 오일 및 물 단계 모두와 상호 작용할 수 있습니다. 유화제 분자의 친수성 부분은 물 분자에 부착되고 소수성 부분은 오일 분자에 부착됩니다.
유화제는 기름 방울을 유화제 분자로 둘러싸서 방울 주위에 보호층을 만들어 방울이 서로 접촉하고 더 큰 방울을 형성하기 위해 합쳐지는(함께 결합) 하는 것을 방지합니다. 이는 에멀젼을 안정적으로 유지하고 분리를 방지하는 데 도움이 됩니다.
파쇄 후 액적의 유착이 최종 액적 크기 분포에 영향을 미치기 때문에 초음파 분산 영역에서 액적 붕괴 직후의 분포와 동일한 수준으로 최종 액적 크기 분포를 유지하기 위해 효율적인 안정화 유화제가 사용됩니다. 안정제는 실제로 일정한 에너지 밀도에서 액적 파괴를 개선합니다.
일반적으로 사용되는 유화제의 예로는 레시틴(달걀 노른자 및 대두에서 발견됨), 모노 및 디글리세리드, 폴리소르베이트 80 및 스테아로일 락틸산 나트륨이 있습니다.
초음파로 효율적으로 생성 할 수있는 Miniemulsions는 화학 반응을 향상시킵니다. 매크로에멀젼 중합(a) 대 미니에멀젼 중합(b)[Schork et al. 2005: 136]
