초음파 캐비테이션에 의한 유화
화장품, 스킨 로션, 의약용 연고, 바니시, 도료, 윤활제, 연료 등 다양한 중간재와 소비재는 전적으로 또는 부분적으로 에멀젼을 기반으로 합니다.
Hielscher는 생산 공장에서 대용량 유체 흐름을 효율적으로 유화하기 위한 세계 최대 규모의 산업용 초음파 액체 처리기를 제조합니다.
초음파 유화의 작동 원리
실험실 응용: 실험실에서는 초음파 균질화 및 유화가 제공하는 다양한 이점 덕분에 초음파의 유화 능력이 오래전부터 알려져 활용되어 왔습니다.
기술
신뢰할 수 있는 초음파 유화는 소노트로드라고도 하는 초음파 프로브의 사용을 기반으로 합니다. 공정은 다음과 같이 진행됩니다:
- 초음파 에너지 전달: 초음파 프로브를 통해 고강도 초음파가 액체에 전달되어 음향 캐비테이션을 생성합니다.
- 캐비테이션 효과: 초음파 캐비테이션 또는 음향 캐비테이션은 큰 액적을 나노 크기의 액적으로 분쇄하는 데 필요한 에너지를 제공하는 높은 전단력을 발생시킵니다.
- 에멀젼 형성: 둘 이상의 액체 상이 혼합되어 균일한 서브마이크론 에멀젼 또는 나노에멀젼을 형성합니다.
유통식 기술을 통한 산업 규모 확장: 초음파 플로우 셀을 사용하면 연속 유통식으로 대용량 유체 흐름을 처리하면서 나노에멀젼의 산업 생산 규모로 선형 확장할 수 있습니다.
UP400ST 초음파 처리기를 사용한 투명한 나노에멀젼의 초음파 제조.
초음파 유화의 장점
프로브형 초음파 처리기를 이용한 초음파 유화는 다른 유화 기술에 비해 여러 장점을 제공합니다:
- 에멀젼 안정성 향상: 초음파 유화는 더 작은 액적 크기와 더 균일한 액적 분포를 구현하여 에멀젼 안정성을 높이고 보관 수명을 연장합니다. 고출력 초음파를 사용하면 서브마이크론 및 나노 크기의 액적을 신뢰성 있게 생성할 수 있습니다.
- 에너지 효율: 초음파 유화는 다른 유화 방법보다 적은 에너지를 필요로 하므로 에너지 효율이 더 높은 공정입니다.
- 규모 확장성: 초음파 유화는 필요한 부피에 따라 규모를 쉽게 확대하거나 축소할 수 있어 실험실 및 산업 응용 모두에 다용도로 활용할 수 있는 공정입니다.
- 시간 절약: 초음파 유화는 액체, 부피 및 장비에 따라 수초에서 수분 내에 에멀젼이 형성되는 매우 빠른 공정이 될 수 있습니다.
- 계면활성제 필요량 감소: 초음파 유화는 에멀젼 안정화에 흔히 필요한 계면활성제의 필요량을 줄일 수 있습니다. 그러나 액적 크기가 감소하면 입자의 표면적이 증가하므로 계면활성제가 덮어야 하는 면적도 늘어납니다. 초음파 처리는 대체 유화제와 신규 유화제를 포함하여 거의 모든 종류의 계면활성제와 함께 사용할 수 있습니다.
- 최소한의 제어 가능한 열 발생: 초음파 유화는 비열적 공정이며, 처리 중 열 발생을 방지하거나 미미한 수준으로 줄일 수 있습니다. 이에 따라 민감한 화합물이나 성분의 열분해 위험이 감소합니다.
프로브형 초음파 처리기를 이용한 초음파 유화는 이러한 장점 덕분에 식음료, 의약품, 화장품, 정밀화학 및 연료를 포함한 다양한 분야의 유화에 탁월한 선택입니다.
초음파를 이용한 마요네즈 유화에 대해 자세히 알아보세요!
초음파 처리를 이용한 파라핀 왁스 에멀젼 제조에 대해 자세히 알아보세요!
초음파를 이용해 제조한 디젤 내 물 분산 에멀젼에 대해 자세히 알아보세요!
DLS 측정 결과는 초음파로 제조한 수중 장미 오일 에멀젼의 균일한 액적 크기 분포를 보여줍니다.
에멀젼이란 무엇인가요?에멀젼은 서로 섞이지 않는 둘 이상의 액체로 이루어진 분산계입니다. 매우 강한 초음파는 하나의 액체 상(분산상)을 다른 상(연속상)에 작은 액적 형태로 분산시키는 데 필요한 출력을 제공합니다. 분산 영역에서는 내부로 붕괴하는 캐비테이션 기포가 주변 액체에 강력한 충격파를 일으키고, 유속이 높은 액체 제트를 형성합니다.
나노에멀전 – 초음파 처리기의 강력한 응용 분야
나노에멀전은 액적의 크기가 일반적으로 100 나노미터 미만인 에멀전입니다. 나노에멀전은 기존 에멀전에 비해 고유한 기능적 특성, 더 높은 안정성, 투명성 등 여러 장점을 제공합니다.
초음파 처리는 특히 나노에멀전 형성에서 기존 유화 기술보다 우수한 성능을 발휘합니다. 이는 효율이 매우 높고 에너지가 집중되는 초음파의 작동 원리 때문입니다.
아래 동영상은 UP400S 실험실용 초음파 처리기를 사용하여 기름(노란색)을 물(빨간색)에 유화하는 과정을 보여줍니다.
초음파 유화의 작동 원리
음향 캐비테이션: 초음파 유화와 나노유화의 원동력
초음파 유화는 고강도 초음파가 액체를 통과할 때 발생하는 현상인 음향 캐비테이션의 강력한 효과를 이용합니다. 이 과정에서 미세한 기포가 형성되고 성장한 후 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 기포의 내파성 붕괴는 급격한 압력 및 온도 구배, 높은 전단력, 충격파, 액체 마이크로제트 등 국소적으로 극한의 조건을 만들어 냅니다. 이러한 힘은 큰 입자, 액적 및 응집체를 훨씬 더 작은 구조로 효과적으로 분해합니다.
왼쪽 이미지는 액체로 채워진 유리 컬럼에서 작동하는 UIP1000hdT 초음파 처리기(1000 W)가 발생시키는 음향 캐비테이션을 보여줍니다.
음향 캐비테이션이 유화를 개선하는 원리
유화와 나노유화 모두에서 캐비테이션 강도는 액적 크기를 결정하는 핵심 요인입니다. 캐비테이션 기포가 붕괴하면서 발생하는 전단력은 큰 액적을 점점 더 작은 액적으로 분쇄합니다. 동시에 국소적인 압력 및 온도 변화는 새로운 액적의 형성을 촉진하면서 에멀전의 안정화를 돕습니다.
이러한 액적 파쇄와 안정화의 결합으로 초음파 기술은 액적 크기 분포가 매우 미세하고 균일성이 높은 에멀전을 생산할 수 있습니다.
MD, WPI 및 이들의 혼합물을 사용하여 (a) 기존 균질화 방법과 (b) 초음파 균질화 방법(UP400S 사용)으로 제조한, 건물 함량이 40%이고 기름 함량이 9%(w/w)인 물–올리브유 에멀전의 액적 크기 분포. 초음파 유화는 액적 크기를 현저히 줄이고 크리밍을 감소시키며 전반적인 에멀전 안정성을 높입니다.
(연구 및 그래프: Zungur et al., 2015)
효율적인 유화를 위한 초음파 프로브
Hielscher는 배치 및 연속 통과 방식으로 액체를 효율적으로 유화하고 분산하기 위한 다양한 프로브형 초음파 처리기와 액세서리를 제공합니다.
각각 최대 16,000 와트의 초음파 처리기 여러 대로 구성된 시스템은 이 실험실 응용을 연속 흐름 또는 배치 방식으로 미세하게 분산된 에멀전을 얻는 효율적인 생산 방법으로 전환하는 데 필요한 처리 용량을 제공합니다. 이를 통해 새로운 오리피스 밸브와 같은, 현재 이용 가능한 최고 성능의 고압 균질기에 필적하는 결과를 달성합니다. Hielscher 초음파 장치는 연속 유화에서 이처럼 높은 효율을 제공할 뿐만 아니라 유지보수 필요성이 매우 낮고 작동과 세척이 매우 쉽습니다. 초음파는 실제로 세척과 헹굼을 돕습니다. 초음파 출력은 조절할 수 있으며 특정 제품 및 유화 요구사항에 맞출 수 있습니다. 고도화된 CIP(정치 세척) 및 SIP(정치 멸균) 요구사항을 충족하는 특수 플로우 셀 반응기도 제공됩니다.
MultiSonoReactor MSR-4는 처리량이 높은 (나노)유화 공정에 적합한 산업용 인라인 균질화 반응기입니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | n.a. | 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 |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 큰 유량 | 클러스터형 UIP16000 |
연락하세요! / 문의하세요!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator는 Hielscher 초음파 플로우 셀 반응기와 호환되는 강력한 액세서리입니다. MPC48 인서트를 사용하면 분산상이 48개의 캐뉼라를 통해 가느다란 액체 줄기 형태로 초음파 집중 영역에 주입되며, 이 영역에서 분산상과 연속상이 미세한 액적 형태로 혼합되어 나노에멀션을 형성합니다.
MultiPhaseCavitator가 유화 성능을 어떻게 개선하는지 알아보세요!
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도를 위한 고성능 초음파 균질기를 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
알아두면 유용한 정보
“에멀션”이라는 용어의 정의
에멀션은 기름과 물처럼 서로 섞이지 않는 두 가지 이상의 액체로 이루어진 혼합물입니다.
에멀션은 수중유형(물속에 기름방울이 분산된 형태) 또는 유중수형(기름 속에 물방울이 분산된 형태)일 수 있습니다. 에멀션은 식품(샐러드드레싱, 마요네즈 등), 화장품(로션, 크림 등), 의약품(백신 등)을 비롯한 다양한 용도로 사용됩니다.
유화제는 에멀션에서 서로 섞이지 않는 두 물질(기름과 물 등) 사이의 표면 장력을 낮추는 방식으로 작용합니다. 이를 통해 두 물질이 분리되려는 경향을 줄이고 안정적인 혼합물을 형성할 수 있게 합니다.
에멀션은 어떻게 안정화하나요?
분산상(한 액체의 액적)이 합일하여 연속상(주변 액체)에서 분리되는 것을 방지하면 에멀션이 안정화됩니다. 에멀션의 안정성을 확보하려면 다음과 같은 몇 가지 핵심 사항을 고려해야 합니다.
- 유화제(계면활성제):
– 역할: 유화제는 친수성(물을 끌어당기는) 말단과 소수성(물을 밀어내는) 말단을 모두 가진 분자입니다.
– 작용: 서로 섞이지 않는 두 액체 사이의 표면 장력을 낮추고 액적 주위에 보호층을 형성하여 액적의 합일을 방지합니다.
– 예: 레시틴, 폴리소르베이트류, 스테아로일젖산나트륨. - 기계적 방법:
고성능 혼합: 고전단 혼합기나 균질기를 사용하여 액적을 더 작은 크기로 분쇄하면 표면적이 증가하고 안정성이 향상됩니다. 프로브형 초음파 처리기를 사용하는 것은 초음파의 기계적 전단력을 이용하는 우수하고 매우 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이러한 초음파 전단력은 큰 액적을 미세한 액적으로 분쇄하고 서로 섞이지 않는 상들을 혼합하여 안정적인 에멀션을 형성합니다. - 점도 조절제:
증점제: 연속상의 점도를 높이면 액적의 움직임이 느려져 합일 가능성을 줄일 수 있습니다.
– 예: 잔탄검, 구아검, 카르복시메틸셀룰로오스. - 안정화제:
– 고분자: 고분자는 액적 주위에 두꺼운 층을 형성하여 입체적 안정화를 제공할 수 있습니다.
– 예: 펙틴, 젤라틴, 특정 단백질. - 정전기적 안정화:
– 전하: 일부 유화제는 액적 표면에 전하를 부여하여 액적이 서로 반발하게 함으로써 합일을 줄입니다.
– 예: 카세인나트륨과 대두 레시틴. - 온도 제어:
– 냉각: 온도를 낮추면 연속상의 점도가 증가하고 액적의 운동 에너지가 감소하여 합일을 방지할 수 있습니다.
– 상 분리 방지: 성분이 분리되지 않는 범위 내에서 온도가 유지되도록 합니다. - 첨가제:
– 항산화제: 산화를 방지하면 유화제와 기타 성분의 온전한 상태를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
– 킬레이트제: 결합되지 않으면 에멀션을 불안정하게 만들 수 있는 금속 이온과 결합합니다.
적절한 유화 기법을 적용하면 에멀션을 안정화하여 혼합물이 시간이 지나도 균질한 상태와 원하는 특성을 유지하도록 할 수 있습니다.
안정화용 유화제
일반적으로 에멀션은 유화제나 계면활성제를 사용하여 안정화해야 합니다. 유화제는 양친매성 물질로, 물과 지방성 물질을 모두 끌어당깁니다. 이는 유화제가 친수성(물을 좋아하는 성질)과 소수성(기름을 좋아하는 성질)을 모두 지니고 있어 에멀션의 유상 및 수상 모두와 상호작용할 수 있음을 의미합니다. 유화제 분자의 친수성 부분은 물 분자에 부착되고, 소수성 부분은 기름 분자에 부착됩니다.
유화제는 유화제 분자로 기름 액적을 둘러싸 액적 주위에 보호층을 형성하며, 이 보호층은 액적끼리 접촉하고 합일(서로 합쳐짐)하여 더 큰 액적을 형성하는 것을 방지합니다. 이는 에멀션을 안정적으로 유지하고 분리를 방지하는 데 도움이 됩니다.
액적 파쇄 후 발생하는 액적의 합일은 최종 액적 크기 분포에 영향을 미치므로, 안정화 효과가 뛰어난 유화제를 사용하여 최종 액적 크기 분포를 초음파 분산 영역에서 액적이 파쇄된 직후의 분포와 동일한 수준으로 유지합니다. 안정제는 실제로 일정한 에너지 밀도에서 액적 파쇄를 개선합니다.
일반적으로 사용되는 유화제의 예로는 레시틴(달걀노른자와 대두에 함유), 모노글리세리드 및 디글리세리드, 폴리소르베이트 80, 스테아로일젖산나트륨이 있습니다.
초음파 처리로 효율적으로 생성할 수 있는 미니에멀션은 화학 반응을 촉진합니다. 매크로에멀션 중합 (a)과 미니에멀션 중합 (b)의 비교 [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.