Emulgéierung duerch Ultraschallkavitatioun
Eng breet Palett vun Tëschen- a Konsumprodukter – wéi Kosmetik, Hautlotiounen, pharmazeutesch Salben, Lacker, Faarwen, Schmiermëttel a Brennstoffer – baséiert ganz oder deelweis op Emulsiounen.
Hielscher produzéiert déi weltwäit gréisst industriell Ultraschallprozessoren fir Flëssegkeeten, fir grouss Volumenstréim a Produktiounsanlagen effizient ze emulgéieren.
Wéi d’Ultraschallemulgéierung funktionéiert
Laborapplikatiounen: Am Labo ass d’Emulgéierungsleeschtung vum Ultraschall scho laang bekannt a gëtt och scho laang agesat, well d’Ultraschallhomogeniséierung an d’Ultraschallemulgéierung verschidde Virdeeler bidden.
D’Technologie
Eng zouverlässeg Ultraschallemulgéierung baséiert op der Benotzung vun Ultraschallsonden, déi och Sonotroden genannt ginn. De Prozess funktionéiert wéi follegt:
- Akopplung vum Ultraschall: Iwwer d’Ultraschallsond gëtt Ultraschall mat héijer Intensitéit a Flëssegkeeten agekoppelt, wouduerch akustesch Kavitatioun entsteet.
- Kavitatiounseffekt: Ultraschallkavitatioun oder akustesch Kavitatioun erzeugt héich Schéierkräften, déi déi néideg Energie liwweren, fir grouss Drëpsen a nanogrouss Drëpsen opzebriechen.
- Bildung vun der Emulsioun: Zwou oder méi flësseg Phase ginn zu enger eenheetlecher Submikron- oder Nanoemulsioun vermëscht.
Industriell Moossstabsvergréisserung mat Duerchflosstechnologie: D’Benotzung vun Ultraschallduerchflosszellen erméiglecht eng linear Moossstabsvergréisserung bis zur industrieller Produktioun vun Nanoemulsiounen, woubäi grouss Volumenstréim am kontinuéierlechen Duerchfloss verschafft ginn.
Hierstellung vun enger klorer Nanoemulsioun mat Ultraschall mam Ultraschallapparat UP400ST.
D’Virdeeler vun der Ultraschallemulgéierung
D’Ultraschallemulgéierung mat engem Ultraschallapparat mat Sond bitt verschidde Virdeeler géintiwwer aneren Emulgéierungstechniken:
- Verbessert Emulsiounsstabilitéit: D’Ultraschallemulgéierung erzeugt méi kleng Drëpsen an eng méi eenheetlech Verdeelung vun den Drëpsen, wat zu enger verbesserter Emulsiounsstabilitéit an enger méi laanger Haltbarkeet féiert. Mat Héichleeschtungsultraschall kënne Submikron- an nanogrouss Drëpsen zouverlässeg hiergestallt ginn.
- Energieeffizienz: D’Ultraschallemulgéierung brauch manner Energie wéi aner Emulgéierungsmethoden, wat si zu engem méi energieeffiziente Prozess mécht.
- Skaléierbarkeet: D’Ultraschallemulgéierung kann ofhängeg vum néidege Volumen einfach op e méi groussen oder méi klenge Moossstab ugepasst ginn, wat si zu engem villsäitege Prozess fir souwuel Labor- wéi och Industrieapplikatioune mécht.
- Zäitspuerend: D’Ultraschallemulgéierung kann e ganz séiere Prozess sinn, bei deem sech Emulsiounen, ofhängeg vun de Flëssegkeeten, dem Volumen an den Apparater, bannent Sekonne bis Minutte bilden.
- Reduzéierte Bedarf un Tensiden: D’Ultraschallemulgéierung kann de Bedarf un Tenside reduzéieren, déi dacks néideg sinn, fir Emulsiounen ze stabiliséieren. Bei enger méi klenger Drëpsegréisst gëtt d’Uewerfläch vum Partikel awer méi grouss, a méi Fläch muss vun engem Tensid bedeckt ginn. D’Ultraschallbehandlung ass mat bal all Zort vun Tensid kompatibel, och mat alternativen an neiaartegen Emulgatoren.
- Minimal a kontrolléierbar Wäermtentwécklung: D’Ultraschallemulgéierung ass en netthermesche Prozess, an d’Wäermtentwécklung wärend der Veraarbechtung ka verhënnert oder op e klengen Ausmooss reduzéiert ginn. Doduerch gëtt de Risiko vum thermeschen Ofbau vun empfindleche Verbindungen oder Ingrediente reduzéiert.
D’Virdeeler vun der Ultraschallemulgéierung mat engem Ultraschallapparat mat Sond maachen si zu enger exzellenter Wiel fir d’Emulgéierung a verschiddene Beräicher, dorënner Liewensmëttel a Gedrénks, Pharmazeutik, Kosmetik, Feinchemikalien a Brennstoffer.
Liest méi iwwer d’Emulgéierung vu Mayonnaise mat Ultraschall!
Liest méi iwwer d’Produktioun vu Paraffinwuess-Emulsioune mat Ultraschallbehandlung!
Liest méi iwwer Waasser-an-Diesel-Emulsiounen, déi mat Ultraschall hiergestallt ginn!
D’DLS-Miessung weist déi eenheetlech Drëpsegréissteverdeelung vun enger Rousenueleg-a-Waasser-Emulsioun, déi mat Ultraschall hiergestallt gouf.
Wat ass eng Emulsioun?Emulsioune sinn Dispersioune vun zwou oder méi Flëssegkeeten, déi net matenee vermëschbar sinn. Ultraschall mat ganz héijer Intensitéit liwwert déi néideg Leeschtung, fir eng flësseg Phas (disperséiert Phas) a Form vu klengen Drëpsen an enger zweeter Phas (kontinuéierlech Phas) ze disperséieren. An der Dispergéierungszon verursaachen implodéierend Kavitatiounsblosen intensiv Stousswellen an der Flëssegkeet ronderëm a féieren zur Bildung vu Flëssegkeetsstrale mat héijer Flëssegkeetsvitess.
Nanoemulsiounen – Déi leeschtungsintensiv Uwendung fir Ultraschallapparater
Nanoemulsioune sinn Emulsioune mat Drëpsen, déi typescherweis méi kleng wéi 100 Nanometer sinn. Nanoemulsioune bidden e puer Virdeeler géintiwwer konventionellen Emulsiounen, dorënner eenzegaarteg funktionell Eegenschaften, méi héich Stabilitéit, Transparenz asw.
D’Ultraschallbehandlung iwwertrëfft traditionell Emulgéierungstechnologien, besonnesch wann et ëm d’Bildung vun Nanoemulsioune geet. Dat läit um héicheffizienten an energieintensive Wierkprinzip vum Ultraschall.
De Video hei drënner weist den Emulgéierungsprozess vun Ueleg (giel) a Waasser (rout) mam Labo-Ultraschallapparat UP400S.
Wierkprinzip vun der Ultraschallemulgéierung
Akustesch Kavitatioun: Déi dreiwend Kraaft hannert der Ultraschallemulgéierung an der Nanoemulgéierung
D’Ultraschallemulgéierung berout op de staarken Effekter vun der akustescher Kavitatioun, engem Phenomeen, dat entsteet, wann Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit duerch eng Flëssegkeet ginn. Bei dësem Prozess bilde sech mikroskopesch kleng Blosen, déi wuessen an duerno hefteg zesummefalen. Den implosiven Zesummebroch vun dëse Blose schaaft lokal extrem Bedéngungen, dorënner staark Drock- an Temperaturgradienten, héich Schéierkräften, Stousswellen a Mikrostrale vu Flëssegkeet. Dës Kräfte zerleeë grouss Partikelen, Drëpsen an Agglomerater effektiv a vill méi kleng Strukturen.
D’Bild lénks weist akustesch Kavitatioun, déi vum Ultraschallprozessor UIP1000hdT (1000 W) erzeugt gëtt, deen an enger mat Flëssegkeet gefëllter Glaskolonn schafft.
Wéi akustesch Kavitatioun d’Emulgéierung verbessert
Souwuel bei der Emulgéierung wéi och bei der Nanoemulgéierung ass d’Kavitatiounsintensitéit en entscheedende Faktor fir d’Bestëmmung vun der Drëpsegréisst. Wann d’Kavitatiounsblosen zesummefalen, zerleeën déi dobäi entstoend Schéierkräfte méi grouss Drëpsen an ëmmer méi kleng Drëpsen. Gläichzäiteg fërderen déi lokal Drock- an Temperaturännerungen d’Bildung vun neien Drëpsen an hëllefen dobäi, d’Emulsioun ze stabiliséieren.
Dës Kombinatioun aus Drëpsenzerdeelung a Stabiliséierung erméiglecht et der Ultraschalltechnologie, héich uniform Emulsioune mat aussergewéinlech feinen Drëpsegréisstverdeelungen hierzestellen.
Drëpsegréisstverdeelung vu Waasser-Olivenueleg-Emulsiounen, déi mat (a) enger klassescher Homogeniséierungsmethod an (b) enger Ultraschallhomogeniséierungsmethod (mam UP400S) mat MD, WPI an hirer Mëschung hiergestallt goufen an 40% Dréchematerial mat engem Ueleggehalt vun 9% (w/w) enthalen. D’Ultraschallemulgéierung féiert zu däitlech méi klengen Drëpsen, manner Oprammen an enger insgesamt besserer Emulsiounsstabilitéit.
(Etüd a Grafiken: Zungur et al., 2015)
Ultraschallsonde fir eng effizient Emulgéierung
Hielscher bitt eng breet Palette vun Ultraschallapparater mat Sond an Zubehéier fir d’effizient Emulgéierung an Dispergéierung vu Flëssegkeeten am Chargen- an am Duerchflossbetrib.
Systemer, déi aus e puer Ultraschallprozessoren mat jeeweils bis zu 16.000 Watt bestinn, bidden déi néideg Kapazitéit, fir dës Labo-Uwendung an eng effizient Produktiounsmethod ëmzesetzen, mat där fein dispergéiert Emulsiounen am kontinuéierlechen Duerchfloss oder an enger Charge hiergestallt kënne ginn – dobäi gi Resultater erreecht, déi mat deene vun de beschten Héichdrockhomogenisateuren, déi haut disponibel sinn, vergläichbar sinn, wéi zum Beispill dem neie Blendventil. Nieft dëser héijer Effizienz bei der kontinuéierlecher Emulgéierung brauchen d’Ultraschallapparater vun Hielscher ganz wéineg Ënnerhalt a si ganz einfach ze bedéngen an ze botzen. Den Ultraschall ënnerstëtzt tatsächlech d’Botzen an d’Spullen. D’Ultraschallleeschtung ass astellbar a kann u spezifesch Produkter an Emulgéierungsufuerderungen ugepasst ginn. Speziell Duerchflosszellereakteren, déi déi héich Ufuerderunge vu CIP (Botzen op der Plaz) a SIP (Steriliséieren op der Plaz) erfëllen, sinn och disponibel.
De MultiSonoReactor MSR-4 ass en industriellen Inline-Homogeniséierungsreakter, dee fir (Nano-)Emulgéierungsprozesser mat héijen Duerchsätz gëeegent ass.
| Chargevolumen | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Verbond vu UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
De MultiPhaseCavitator ass e leeschtungsstaarken Accessoire, dee mat den Ultraschall-Duerchflosszellreaktore vun Hielscher kompatibel ass: Mam Asaz MPC48 gëtt déi disperséiert Phas iwwer 48 Kanüllen als dënn Flëssegkeetssträng an déi ultraschallaktiv Zon agesprëtzt, wou déi disperséiert Phas an déi kontinuéierlech Phas a Form vu ganz klengen Drëpsen zu enger Nanoemulsioun vermëscht ginn.
Entdeckt, wéi de MultiPhaseCavitator d’Emulgéiere verbessert!
Hielscher Ultrasonics stellt héich performant Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéieren an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf hier.
Literatur / Referenzen
- 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
Wëssenswäertes
Definitioun vum Begrëff „Emulsioun“
Eng Emulsioun ass eng Mëschung aus zwou oder méi Flëssegkeeten, déi net matenee mëschbar sinn, wéi Ueleg a Waasser.
Emulsioune kënnen entweder Ueleg-a-Waasser-Emulsioune sinn (bei deenen Uelegdrëpsen am Waasser disperséiert sinn) oder Waasser-an-Ueleg-Emulsiounen (bei deene Waasserdrëpsen am Ueleg disperséiert sinn). Emulsioune ginn a villen Uwendunge benotzt, dorënner Liewensmëttel (wéi Zalotendressingen a Mayonnaise), Kosmetikprodukter (wéi Lotiounen a Cremen) a pharmazeutesch Produkter (wéi Impfstoffer).
En Emulgator wierkt, andeems en d’Uewerflächespannung tëscht den zwee net matenee mëschbare Stoffer (wéi Ueleg a Waasser) an enger Emulsioun reduzéiert. Dëst reduzéiert d’Tendenz vun deenen zwee Stoffer, sech ze trennen, an erméiglecht hinnen, eng stabil Mëschung ze bilden.
Wéi gëtt eng Emulsioun stabil gemaach?
Eng Emulsioun gëtt stabil gemaach, andeems verhënnert gëtt, datt déi disperséiert Phas (Drëpse vun enger Flëssegkeet) zesummefléisst a sech vun der kontinuéierlecher Phas (der Flëssegkeet ronderëm) trennt. Fir Stabilitéit an Emulsiounen z’erreechen, musse verschidde wichteg Punkte berücksichtegt ginn:
- Emulgatoren (Tensiden):
– Roll: Emulgatore si Moleküllen, déi souwuel hydrophil (waasserunzéiend) wéi och hydrophob (waasserofweisend) Ennen hunn.
– Wierkung: Si reduzéieren d’Uewerflächespannung tëscht den zwou net matenee mëschbare Flëssegkeeten a bilden eng Schutzschicht ronderëm d’Drëpsen, déi verhënnert, datt dës zesummefléissen.
– Beispiller: Lecithin, Polysorbaten an Natriumstearoyllactylat. - Mechanesch Methoden:
Héich performant Mëschen: Den Asaz vu Mëscher mat héije Schéierkräften oder Homogenisateuren, fir d’Drëpsen a méi kleng Drëpsen opzebriechen, vergréissert d’Uewerfläch a verbessert d’Stabilitéit. Den Asaz vu Sonikatore mat Sond ass eng exzellent a ganz zouverlässeg Method, déi sonomechanesch Schéierkräfte benotzt. Dës Ultraschall-Schéierkräfte brieche grouss Drëpsen a ganz kleng Drëpsen op a vermëschen déi net matenee mëschbar Phasen zu enger stabiler Emulsioun. - Viskositéitsmodifikatoren:
Verdéckungsmëttel: D’Erhéijung vun der Viskositéit vun der kontinuéierlecher Phas kann d’Beweegung vun den Drëpse verlangsamen an domat d’Warscheinlechkeet reduzéieren, datt si zesummefléissen.
– Beispiller: Xanthan, Guargummi a Carboxymethylcellulose. - Stabiliséierungsmëttel:
– Polymeren: Polymere kënnen eng steresch Stabiliséierung bewierken, andeems si eng déck Schicht ronderëm d’Drëpse bilden.
– Beispiller: Pektin, Gelatinn a bestëmmt Proteinnen. - Elektrostatesch Stabiliséierung:
– Ladung: Verschidden Emulgatore ginn der Uewerfläch vun den Drëpsen eng elektresch Ladung, wouduerch d’Drëpse sech géigesäiteg ofstoussen an domat manner zesummefléissen.
– Beispiller: Natriumcaseinat a Sojalecithin. - Temperaturkontroll:
– Ofkillen: D’Erofsetze vun der Temperatur kann d’Viskositéit vun der kontinuéierlecher Phas erhéijen an d’kinetesch Energie vun den Drëpse reduzéieren, wouduerch hiert Zesummefléisse verhënnert gëtt.
– Vermeide vun der Phasentrennung: Sécherstellen, datt d’Temperatur an engem Beräich bleift, dee verhënnert, datt d’Komponente sech trennen. - Zousazstoffer:
– Antioxidantien: D’Verhënnere vun der Oxidatioun kann hëllefen, d’Integritéit vum Emulgator an deenen anere Komponenten z’erhalen.
– Chelatbildner: Banne vu Metallionen, déi d’Emulsioun soss eventuell destabiliséiere kéinten.
Duerch d’Uwendung vun der richteger Emulgéierungstechnik kënnen Emulsioune stabil gemaach ginn, soudatt d’Mëschung homogen bleift an hir gewënschten Eegenschaften iwwer d’Zäit behält.
Stabiliséierend Emulgatoren
Am Allgemengen erfuerderen Emulsiounen eng Stabiliséierung mat engem Emulgator oder engem Tensid. Emulgatore sinn amphiphil – si zéie souwuel Waasser wéi och fetteg Substanzen un. Dat bedeit, datt si hydrophil (waasserfrëndlech) an hydrophob (uelegfrëndlech) Eegenschaften hunn, wat et hinnen erlaabt, souwuel mat der Uelegphas wéi och mat der Waasserphas vun der Emulsioun ze interagéieren. Den hydrophillen Deel vum Emulgatormoleküll bënnt sech un d’Waassermoleküllen, wärend den hydrophoben Deel sech un d’Uelegmolekülle bënnt.
Andeems den Emulgator d’Uelegdrëpse mat Emulgatormoleküllen ëmgëtt, schaaft en eng Schutzschicht ronderëm d’Drëpsen, déi verhënnert, datt si matenee a Kontakt kommen an duerch Koaleszenz zesummefléissen, fir méi grouss Drëpsen ze bilden. Dat hëlleft, d’Emulsioun stabil ze halen, a verhënnert eng Trennung.
Well d’Koaleszenz vun den Drëpsen no hirer Zerkleinerung déi endgülteg Drëpsegréissteverdeelung beaflosst, ginn effizient stabiliséierend Emulgatore benotzt, fir déi endgülteg Drëpsegréissteverdeelung op engem Niveau ze halen, deen der Verdeelung direkt no der Zerkleinerung vun den Drëpsen an der Ultraschalldispergéierungszon entsprécht. Stabilisatore féieren tatsächlech zu enger verbesserter Zerkleinerung vun den Drëpse bei konstanter Energiedicht.
Beispiller vun heefeg benotzten Emulgatore si Lecithin (dat an Eegiel a Sojaboune virkënnt), Mono- an Diglyceriden, Polysorbat 80 an Natriumstearoyllactylat.
Miniemulsiounen, déi effizient duerch Ultraschallbehandlung hiergestallt kënne ginn, verbessere cheemesch Reaktiounen. Makroemulsiounspolymerisatioun (a) am Verglach mat Miniemulsiounspolymerisatioun (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics stellt héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure vu Laborgréisst bis zu industrieller Gréisst hier.