Emulgéieren duerch Ultraschall Kavitatioun
Eng breet Palette vun Zwëschen- a Konsumproduiten, wéi Kosmetik a Hautlotionen, pharmazeutesch Salben, Lacker, Faarwen a Schmiermëttel a Brennstoffer baséieren ganz oder deelweis op Emulsiounen. Hielscher fabrizéiert déi weltgréissten industriell Ultraschallflëssegprozessoren fir d'effizient Emulgéierung vu grousse Volumenstroum an Produktiounsanlagen.
Ultraschall Emulsifikatioun
Am Labo ass d'Emulgéierungskraaft vum Ultraschall bekannt a laang applizéiert wéinst verschiddene Virdeeler, déi un der Ultraschallhomogeniséierung an Emulsifikatioun gebonne sinn. Zuverlässeg Ultraschall-Emulsifikatioun baséiert op der Verwäertung vun Ultraschallsonden, sougenannte Sonotroden. Iwwer d'Ultraschallsonde gëtt Héichintensitéit Ultraschall a Flëssegkeete gekoppelt a kreéiert akustesch Kavitatioun. Ultraschall oder akustesch Kavitatioun generéiert héich Schéierkräften, déi déi erfuerderlech Energie ubidden fir grouss Tropfen bis op Nano-Gréisst Tropfen ze stéieren. Doduerch ginn zwou oder méi flësseg Phasen an eng eenheetlech Submikron- oder Nano-Emulsioun gemëscht.
D'Benotzung vun Ultraschallflosszellen erméiglechen d'linear Skala bis op d'industriell Produktioun vun Nanoemulsiounen, déi grouss Volumenstroum a kontinuéierleche Flow-Through veraarbecht.
MultiPhaseCavitator: Den eenzegaartegen Hielscher Flow Zell Insert MPC48 ass e mächtege Accessoire kompatibel mat Hielscher Ultraschall Flow Zell Reaktoren. Mat der Insert MPC48 gëtt déi verspreet Phase iwwer 48 Kanülen als dënn flësseg Strécke an d'Ultraschall Hot Zone injizéiert, wou déi verspreet Phase an déi kontinuéierlech Phase als Minutte Tropfen an eng Nanoemulsioun gemëscht ginn. Liest méi iwwer d'Ultraschall Flow Zell Insert MPC48!
Ultraschaller sinn zouverlässeg an effizient fir Submikron- an Nano-Gréisst Emulsiounen ze produzéieren.
Virdeeler vun Ultrasonic Emulsifikatioun
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!
Ultrasonic Virbereedung vun enger Ueleg-an-Waasser (O/W) Emulsioun (rout Waasser / giel Ueleg). E puer Sekonnen vun der Sonikatioun maachen déi getrennte Waasser / Uelegphasen an eng fein Emulsioun.
De Video hei drënner weist den Emulgéierungsprozess vun Ueleg (giel) a Waasser (rout) andeems Dir den UP400S Labo Ultraschall benotzt.
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.
Miniemulsiounen, déi effizient duerch Ultraschall erstallt kënne ginn, verbesseren chemesch Reaktiounen. Macroemulsion polymerization (a) versus miniemulsion polymerization (b) [Schork et al. 2005: 136]
Nano-Emulsiounen – Eng Power Applikatioun fir Ultraschaller
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.
Aarbechtsprinzip vun der Ultraschall-Emulsifikatioun
Ultrasonic Emulgéierungsprozesser benotzen d'Kräfte vun der akustescher Kavitatioun. Akustesch Kavitatioun bezitt sech op de Phänomen vun der Bildung, dem Wuesstum an dem implosiven Zesummebroch vu klenge Blasen an engem flëssege Medium, deen héich-Intensitéit Ultraschallwellen ënnerworf ass. D'Implosioun vun dëse Blasen generéiert intensiv lokalen Drock- an Temperaturgradienten, déi héich Schéierkraaft, Schockwellen a Mikro-Jets kreéiere kënnen, déi grouss Partikelen ofbriechen an a méi kleng agglomeréieren. D'Bild lénks weist d'Ultraschallkavitatioun generéiert an der Sonde vum Ultraschaller UIP1000hdT (1000 Watt) an enger flësseger gefëllter Glaskolonne.
Bei der Emulsifikatioun an der Nano-Emulsifikatioun spillt d'Intensitéit vun der akustescher Kavitatioun eng kritesch Roll fir d'Gréisst vun den Drëpsen an der Emulsioun ze reduzéieren. Den implosive Zesummebroch vun de Kavitatiounsblasen kann staark Schéierkräfte kreéieren, déi méi grouss Drëpsen a méi kleng zerbriechen. Ausserdeem kënnen déi lokal Drock- an Temperaturgradienten, déi duerch d'Kavitatioun generéiert ginn, och d'Bildung vun neie Tropfen förderen an d'Emulsioun stabiliséieren.
Den eenzegaartegen Aspekt vun der akustescher Kavitatioun ass seng Fäegkeet fir lokaliséierter an intensiven Energieinput zum flëssege Medium ze bidden, ouni de Besoin fir héich mechanesch oder thermesch Belaaschtungen. Dëst mécht et eng attraktiv Technik fir Nano-Emulsifikatioun, well et d'Energieinput, déi fir den Emulsifikatiounsprozess erfuerderlech ass, reduzéiere kann, wärend eng méi kleng Drëpsgréisst a méi schmuel Drëpsgréisst Verdeelung erreecht gëtt.
Duerch dës präzis kontrolléierbar Ultraschallkräften ass akustesch Kavitatioun e mächtegt Tool fir Nano-Emulsifikatioun. Seng Fäegkeet fir lokaliséierter an intensiver Energieinput ze generéieren erlaabt méi grouss Drëpsen ofzebriechen, déi submikron- an Nano-Gréisst mat enger ganz héijer Effizienz bilden.
Studien iwwer Ueleg am Waasser (Waasserphase) a Waasser an Ueleg (Uelegphase) Emulsiounen hunn d'Korrelatioun tëscht der Energiedicht an der Drëpsgréisst (zB Sauter Duerchmiesser) gewisen. Et gëtt eng kloer Tendenz fir méi kleng Tropfengréisst bei der Erhéijung vun der Energiedicht (klickt op riets Grafik). Bei passenden Energiedichtniveauen kann Ultraschall einfach an zouverlässeg mëttlere Tropfengréissten am Nano-Gamme erreechen.
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!
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.
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.
Wann Dir déi richteg Emulgéierungstechnik applizéiert, kënnen Emulsiounen stabil gemaach ginn, fir datt d'Mëschung homogen bleift a seng 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.
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.