Emulgéieren duerch Ultraschall Kavitatioun
A wide range of intermediate and consumer products – such as cosmetics, skin lotions, pharmaceutical ointments, varnishes, paints, lubricants, and fuels – are based wholly or in part on emulsions.
Hielscher manufactures the world’s largest industrial ultrasonic liquid processors for the efficient emulsification of large-volume streams in production plants.
How Ultrasonic Emulsification Works
Laboratory Applications: In laboratory settings, the emulsification power of ultrasound has been known and applied for a long time due to the various benefits tied to ultrasonic homogenization and emulsification.
D'Technologie
Reliable ultrasonic emulsification is based on the use of ultrasonic probes, also known as sonotrodes. The process works as follows:
- Ultrasound Coupling: Via the ultrasonic probe, high-intensity ultrasound is coupled into liquids, creating acoustic cavitation.
- Cavitation Effect: Ultrasonic or acoustic cavitation generates high shear forces, which provide the required energy to disrupt large droplets down to nano-size droplets.
- Emulsion Formation: Two or more liquid phases are mixed into a uniform submicron- or nano-emulsion.
Industrial Scale-Up via Flow-Through Technology: Using ultrasonic flow cells allows for linear scale-up to industrial production of nanoemulsions, processing large volume streams in continuous flow-through.
Ultrasonic preparation of a clear nano-emulsion using the UP400ST ultrasonicator.
The Advantages of Ultrasonic Emulsification
Ultrasonic Emulsifikatioun mat engem Sonde-Typ Ultrasonicator bitt verschidde Virdeeler iwwer aner Emulgéierungstechniken:
- Verbesserte Emulsiounsstabilitéit: Ultrasonic Emulsifikatioun erstellt méi kleng Tropfengréissten a méi eenheetlech Tropfverdeelung, wat zu enger verbesserter Emulsiounsstabilitéit an enger méi laanger Haltbarkeet resultéiert. Submikron- an Nano-Gréisst Drëpsen kënnen zouverlässeg produzéiert ginn mat Power Ultraschall.
- Energieeffizienz: Ultrasonic Emulsifikatioun erfuerdert manner Energie wéi aner Emulgéierungsmethoden, wat et e méi energieeffiziente Prozess mécht.
- Skalierbarkeet: Ultrasonic Emulsifikatioun kann liicht erop oder erof ofhängeg vum erfuerderleche Volumen, sou datt et e versatile Prozess fir Labo an industriell Uwendungen mécht.
- Zäit spueren: Ultrasonic Emulsifikatioun kann e ganz schnelle Prozess sinn, mat Emulsiounen, déi a Sekonnen bis Minuten bilden, ofhängeg vun de Flëssegkeeten, Volumen an Ausrüstung.
- Reduzéiert Bedierfnes fir Surfaktanten: Ultrasonic Emulsifikatioun kann d'Bedierfnes fir Surfaktanten reduzéieren, déi dacks erfuerderlech sinn fir Emulsiounen ze stabiliséieren. Wéi och ëmmer, mat enger reduzéierter Drëpsgréisst gëtt d'Uewerfläch vum Partikel erhéicht a méi Gebitt muss vun engem Surfaktant bedeckt ginn. Ultrasonication ass kompatibel mat bal all Zort Surfaktant abegraff alternativ an nei Emulgatoren.
- Minimal a kontrolléierbar Hëtztgeneratioun: Ultrasonic Emulsifikatioun ass en net-thermesche Prozess an d'Hëtztgeneratioun während der Veraarbechtung kann vermeit oder op e klenge Grad reduzéiert ginn. Doduerch gëtt de Risiko vun der thermescher Degradatioun vu sensiblen Verbindungen oder Zutaten reduzéiert.
D'Virdeeler vun der Ultraschall-Emulgatioun mat engem Sonde-Typ Ultraschaller maachen et eng exzellent Wiel fir Emulgatioun an enger Rei vu Felder, dorënner Iessen a Gedrénks, Medikamenter, Kosmetik, Feinchemikalien a Brennstoffer.
Liest méi iwwer Ultraschall Mayonnaise Emulsifikatioun!
Liest méi iwwer d'Produktioun vu Paraffinwachsemulsiounen mat Sonikatioun!
Liest méi iwwer Waasser-an-Diesel Emulsiounen produzéiert mat Ultraschall!
The DLS measurement shows the uniform droplet size distribution of an ultrasonically produced rose oil-in-water emulsion.
Wat ass eng Emulsioun?Emulsiounen sinn Dispersiounen vun zwee oder méi onmëschbar Flëssegkeeten. Héich intensiv Ultraschall liwwert d'Kraaft déi néideg ass fir eng flësseg Phase (verspreet Phase) a klengen Drëpsen an enger zweeter Phase (kontinuéierlech Phase) ze verdeelen. An der Dispersiounszone verursaachen implodéierend Kavitatiounsblasen intensiv Schockwellen an der Ëmgéigend Flëssegkeet a féieren zu der Bildung vu Flëssegjets mat héijer Flësseggeschwindegkeet.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
Nano-Emulsiounen – The Power Application for Sonicators
Nanoemulsiounen sinn Emulsiounen mat Drëpsen déi typesch manner wéi 100 Nanometer grouss sinn. Nanoemulsiounen bidden verschidde Virdeeler iwwer konventionell Emulsiounen, dorënner eenzegaarteg funktionell Eegeschaften, méi héich Stabilitéit, Transparenz, etc.
Ultrasonication konkurréiert traditionell Emulsifikatiounstechnologien besonnesch wann et ëm d'Bildung vun Nanoemulsiounen geet. Dëst ass wéinst dem héich effizienten an energieintensiven Aarbechtsprinzip vum Ultraschall.
De Video hei drënner weist den Emulgéierungsprozess vun Ueleg (giel) a Waasser (rout) andeems Dir den UP400S Labo Ultraschall benotzt.
Aarbechtsprinzip vun der Ultraschall-Emulsifikatioun
Acoustic Cavitation: The Driving Force Behind Ultrasonic Emulsification and Nano-Emulsification
Ultrasonic emulsification relies on the powerful effects of acoustic cavitation, a phenomenon that occurs when high-intensity ultrasound waves pass through a liquid. During this process, microscopic bubbles form, grow, and then collapse violently. The implosive collapse of these bubbles generates extreme localized conditions, including intense pressure and temperature gradients, high shear forces, shock waves, and liquid micro-jets. These forces effectively break down large particles, droplets, and agglomerates into much smaller structures.
The image on the left illustrates acoustic cavitation generated by the UIP1000hdT ultrasonic processor (1000 W) operating in a liquid-filled glass column.
How Acoustic Cavitation Improves Emulsification
Sowohl bei der Emulgatioun wéi och bei der Nano-Emulgatioun ass d'Kavitatiounsintensitéit en wichtege Faktor fir d'Dropletgréisst ze bestëmmen. Wann d'Kavitatiounsblosen zesummefale gëtt, fragmentéieren d'entstoenend Schärkraaften méi grouss Drëpsen an ëmmer méi kleng Eenheete. Zur selwechter Zäit fërderen déi lokal Druck- an Temperaturännerungen d'Bildung vun neien Drëpsen während se hëllefen d'Emulsioun ze stabiliséieren.
Dës Kombinatioun vu Drëpsesprengung a Stabiliséierung erlaabt der ultraschaller Technologie héich uniform Emulsiounen mat exzeptionell feine Drëpsesverdeelungen ze produzéieren.
Droplet size distribution of water-olive oil emulsions prepared by (a) classic homogenization method (b) ultrasonic homogenization (using the UP400S) method with MD, WPI and their mixture, having 40% dry matter with 9% oil (w/w) content. Ultrasonic emulsification results in significantly smaller droplets, less creaming and a better overall emulsion stability.
(Studie a Grafike: Zugur et al., 2015)
Ultrasonic Probes fir effizient Emulsifikatioun
Hielscher bitt eng breet Palette vun Sonde-Typ Ultraschaller an Accessoiren fir déi effizient Emulgéierung an Dispergéierung vu Flëssegkeeten am Batch- a Flow-Through-Modus.
Systemer, déi aus verschiddenen Ultraschallprozessoren vu bis zu 16.000 Watt jee besteet, bidden d'Kapazitéit déi néideg ass fir dës Laboapplikatioun an eng effizient Produktiounsmethod ze iwwersetzen fir fein dispergéiert Emulsiounen am kontinuéierleche Floss oder an enger Batch ze kréien – Erreechen Resultater vergläichbar mat deem vun haut de beschten Héichdrockhomogenisatoren, déi verfügbar sinn, sou wéi den neien Ëffnungsventil. Zousätzlech zu dëser héich Effizienz an der kontinuéierlecher Emulgéierung, erfuerderen Hielscher Ultraschall-Geräter ganz wéineg Ënnerhalt a si ganz einfach ze bedreiwen an ze botzen. Den Ultraschall ënnerstëtzt tatsächlech d'Botzen a Spülen. D'Ultraschallkraaft ass justierbar a kann op spezifesch Produkter an Emulsifikatiounsfuerderunge ugepasst ginn. Besonnesch Flowzellreaktoren déi den fortgeschrattem CIP (clean-in-place) a SIP (sterilize-in-place) Ufuerderunge treffen, sinn och verfügbar.
De MultiSonoReactor MSR-4 ass en industriellen Inline Homogeniséierungsreaktor gëeegent fir (Nano-) Emulsifikatiounsprozesser mat héijen Duerchgäng.
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 bis 500 ml | 10 bis 200 ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150 l | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
The MultiPhaseCavitator is a powerful accessory compatible with Hielscher ultrasonic flow cell reactors: Using the insert MPC48, the dispersed phase is injected via 48 cannulas as thin liquid strands into the ultrasonic hot zone, where the dispersed phase and the continuous phase are mixed as minute droplets into a nanoemulsion.
Discover how the MultiPhaseCavitator improves emulsification!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren fir d'Vermëschung vun Uwendungen, Dispersioun, Emulsifikatioun an Extraktioun op Labo, Pilot an Industrieskala.
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
Fakten Worth Wëssen
Definitioun vum Begrëff “Emulsioun”
Eng Emulsioun ass eng Mëschung aus zwee oder méi onmëschbar Flëssegkeeten, wéi Ueleg a Waasser.
Emulsiounen kënnen entweder Ueleg-an-Waasser sinn (wou Uelegdrëpsen a Waasser verspreet sinn) oder Waasser-an-Ueleg (wou Waasserdrëpsen an Ueleg verspreet sinn). Emulsiounen ginn a verschiddenen Uwendungen benotzt, dorënner Liewensmëttelprodukter (wéi Zalotdressing a Mayonnaise), Kosmetik (wéi Lotionen a Cremes), a Medikamenter (wéi Impfungen).
En Emulgator funktionnéiert andeems d'Uewerflächespannung tëscht den zwee onmëschbare Substanzen (wéi Ueleg a Waasser) an enger Emulsioun reduzéiert gëtt. Dëst reduzéiert d'Tendenz vun deenen zwee Substanzen sech ze trennen an erlaabt hinnen eng stabil Mëschung ze bilden.
Wéi gëtt eng Emulsioun stabil gemaach?
Eng Emulsioun gëtt stabil gemaach andeems d'verstreet Phase (Drëpsen vun enger Flëssegkeet) verhënnert datt se koalescéieren an sech vun der kontinuéierlecher Phase (der Ëmgéigend Flëssegkeet) trennen. Verschidde Schlësselpunkte musse berücksichtegt ginn fir Stabilitéit an Emulsiounen z'erreechen:
- Emulgatoren (Surfactants):
– Roll: Emulgatoren si Moleküle déi souwuel hydrophil (Waasserattraktioun) wéi och hydrophobesch (Waasserabweisend) Enden hunn.
– Aktioun: Si reduzéieren d'Uewerflächespannung tëscht den zwou onmëschbare Flëssegkeeten a bilden eng Schutzschicht ronderëm d'Tropfen, déi verhënnert datt se zesummekommen.
– Beispiller: Lecithin, Polysorbaten a Natriumstearoyllaktylat. - Mechanesch Methoden:
High-Performance Mixing: Benotzt High-Shear Mischer oder Homogenisatoren fir d'Tropfen a méi kleng Gréissten ze briechen, d'Uewerfläch ze erhéijen an d'Stabilitéit ze verbesseren. Sonde-Typ Sonicatoren sinn eng exzellent a ganz zouverlässeg Method mat sonomechanische Schéierkräften. Dës Ultraschallschéierkräften briechen grouss Drëpsen a Minutte Drëpsen a vermëschen déi onmëschbar Phasen an eng stabil Emulsioun. - Viskositéit Modifizéierer:
Verdickungsmëttel: D'Erhéijung vun der Viskositéit vun der kontinuéierlecher Phase kann d'Bewegung vun Drëpsen verlangsamen, d'Wahrscheinlechkeet vun der Koaleszenz reduzéieren.
– Beispiller: Xanthangummi, Guargummi a Carboxymethylcellulose. - Stabiliséierend Agenten:
– Polymer: Polymere kënne steresch Stabiliséierung ubidden andeems se eng déck Schicht ronderëm Drëpsen bilden.
– Beispiller: Pektin, Gelatine a bestëmmte Proteinen. - Elektrostatesch Stabiliséierung:
– Charge: E puer Emulgatoren vermëttelen eng elektresch Ladung un d'Uewerfläch vun Drëpsen, sou datt se sech géigesäiteg ofstoen an domat d'Koaleszenz reduzéieren.
– Beispiller: Natriumcaseinat a Sojalecithin. - Temperatur Kontroll:
– Ofkillung: Ofsenkung vun der Temperatur kann d'Viskositéit vun der kontinuéierlecher Phase erhéijen an d'kinetesch Energie vun den Drëpsen reduzéieren, d'Koaleszenz verhënneren.
– Phase Trennung vermeiden: Sécherstellen datt d'Temperatur bannent engem Beräich bleift, dat verhënnert datt d'Komponente sech trennen. - Zousätz:
– Antioxidantien: Oxidatioun verhënnert kann hëllefen d'Integritéit vum Emulgator an aner Komponenten z'erhalen.
– Chelating Agents: Bindende Metallionen, déi soss d'Emulsioun destabiliséieren.
Mat der richteger Technik vun der Emulgatioun kënnen Emulsiounen stabil gemaach ginn, sou datt d'Mëschung homogen bleift an hir gewënschte Eegeschafte mat der Zäit behält.
Stabiliséierend Emulgatoren
Allgemeng erfuerderen Emulsiounen Stabiliséierung mat engem Emulgator oder Surfaktant. Emulgatoren sinn amphiphil - si lackele souwuel Waasser wéi och Fettstoffer. Dëst bedeit datt se hydrophil (Waasserliebende) an hydrophobesch (Uelegliewend) Eegeschaften hunn, wat et hinnen erlaabt souwuel mat den Ueleg- a Waasserphasen vun der Emulsioun ze interagéieren. Den hydrophilen Deel vum Emulgatormolekül befestegt sech un d'Waassermoleküle, während den hydrophoben Deel un d'Uelegmoleküle befestegt.
Andeems se d'Uelegdrëpsen mat Emulgatormoleküle ëmginn, entsteet den Emulgator eng Schutzschicht ronderëm d'Drëpsen, déi verhënnert datt se a Kontakt matenee kommen a sech zesummenzéien (verbinden) fir méi grouss Drëpsen ze bilden. Dëst hëlleft d'Emulsioun stabil ze halen a verhënnert d'Trennung.
Well d'Koaleszenz vun den Drëpsen no der Stéierung d'endgülteg Drëpsgréisst Verdeelung beaflosst, ginn effizient stabiliséierend Emulgatoren benotzt fir d'endgülteg Drëpsgréisst Verdeelung op engem Niveau ze halen, deen d'selwecht ass wéi d'Verdeelung direkt no der Drëpsstéierung an der Ultraschall-Dispersiounszone. Stabilisatoren féieren tatsächlech zu enger verbesserter Tropfstéierung bei konstanter Energiedicht.
Beispiller vun allgemeng benotzt Emulgatoren enthalen Lecithin (wat an Eegiel a Sojabounen fonnt gëtt), Mono- an Diglyceriden, Polysorbat 80, an Natriumstearoyllaktylat.
Miniemulsiounen, déi effizient duerch Ultraschall erstallt kënne ginn, verbesseren chemesch Reaktiounen. Macroemulsion polymerization (a) versus miniemulsion polymerization (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.