Emulģēšana ar ultraskaņas kavitāciju
Plašs starpproduktu un patēriņa preču klāsts – piemēram, kosmētika, ādas losjoni, farmaceitiskās ziedes, lakas, krāsas, smērvielas un degvielas – pilnībā vai daļēji ir veidots uz emulsiju pamata.
Hielscher ražo pasaulē lielākās rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas šķidrumu apstrādei, kas nodrošina lielu tilpuma plūsmu efektīvu emulģēšanu ražotnēs.
Kā darbojas emulģēšana ar ultraskaņu
Lietojums laboratorijā: Laboratorijās ultraskaņas spēja emulģēt ir zināma un tiek izmantota jau ilgu laiku, pateicoties dažādajām priekšrocībām, ko sniedz homogenizācija un emulģēšana ar ultraskaņu.
Tehnoloģija
Uzticamas emulģēšanas ar ultraskaņu pamatā ir ultraskaņas zonžu, ko dēvē arī par sonotrodēm, izmantošana. Process norisinās šādi:
- Ultraskaņas ievadīšana: Ar ultraskaņas zondi šķidrumos tiek ievadīta augstas intensitātes ultraskaņa, radot akustisko kavitāciju.
- Kavitācijas iedarbība: Ultraskaņas jeb akustiskā kavitācija rada lielus bīdes spēkus, kas nodrošina nepieciešamo enerģiju lielu pilienu sadalīšanai līdz nanometru izmēra pilieniem.
- Emulsijas veidošanās: Divas vai vairākas šķidrās fāzes tiek sajauktas viendabīgā submikronu emulsijā vai nanoemulsijā.
Mēroga palielināšana līdz rūpnieciskai ražošanai, izmantojot caurplūdes tehnoloģiju: Ultraskaņas plūsmas šūnu izmantošana ļauj lineāri palielināt mērogu līdz rūpnieciskai nanoemulsiju ražošanai, apstrādājot lielas tilpuma plūsmas nepārtrauktā caurplūdes režīmā.
Dzidras nanoemulsijas sagatavošana ar ultraskaņu, izmantojot UP400ST ultraskaņas iekārtu.
Emulģēšanas ar ultraskaņu priekšrocības
Emulģēšana ar ultraskaņu, izmantojot zondes tipa ultraskaņas iekārtu, sniedz vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citām emulģēšanas metodēm:
- Uzlabota emulsijas stabilitāte: Emulģēšana ar ultraskaņu rada mazākus pilienus un vienmērīgāku pilienu sadalījumu, tādējādi uzlabojot emulsijas stabilitāti un pagarinot glabāšanas laiku. Izmantojot lieljaudas ultraskaņu, var droši iegūt submikronu un nanometru izmēra pilienus.
- Energoefektivitāte: Emulģēšanai ar ultraskaņu nepieciešams mazāk enerģijas nekā citām emulģēšanas metodēm, tādējādi padarot to par energoefektīvāku procesu.
- Mērogojamība: Emulģēšanas ar ultraskaņu mērogu var viegli palielināt vai samazināt atkarībā no nepieciešamā tilpuma, tādējādi padarot to par daudzpusīgu procesu gan laboratorijas, gan rūpnieciskam lietojumam.
- Laika ietaupījums: Emulģēšana ar ultraskaņu var būt ļoti ātrs process – atkarībā no šķidrumiem, tilpuma un aprīkojuma emulsijas veidojas dažu sekunžu līdz dažu minūšu laikā.
- Samazināta vajadzība pēc virsmaktīvajām vielām: Emulģēšana ar ultraskaņu var samazināt vajadzību pēc virsmaktīvajām vielām, kas bieži nepieciešamas emulsiju stabilizēšanai. Tomēr, samazinoties pilienu izmēram, daļiņas virsmas laukums palielinās, un virsmaktīvajai vielai jānosedz lielāks laukums. Apstrāde ar ultraskaņu ir saderīga ar gandrīz jebkura veida virsmaktīvajām vielām, tostarp alternatīviem un jauniem emulgatoriem.
- Minimāla un kontrolējama siltuma veidošanās: Emulģēšana ar ultraskaņu ir netermisks process, un siltuma veidošanos apstrādes laikā var novērst vai samazināt līdz nelielam līmenim. Tādējādi samazinās jutīgu savienojumu vai sastāvdaļu termiskās noārdīšanās risks.
Priekšrocības, ko sniedz emulģēšana ar ultraskaņu, izmantojot zondes tipa ultraskaņas iekārtu, padara to par lielisku izvēli emulģēšanai dažādās nozarēs, tostarp pārtikas un dzērienu, farmācijas, kosmētikas, smalkās ķīmijas produktu un degvielu ražošanā.
Lasiet vairāk par majonēzes emulģēšanu ar ultraskaņu!
Lasiet vairāk par parafīna vaska emulsiju ražošanu, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu!
Lasiet vairāk par emulsijām «ūdens dīzeļdegvielā», kas iegūtas, izmantojot ultraskaņu!
DLS mērījums parāda ar ultraskaņu iegūtas rožu eļļas emulsijas ūdenī vienmērīgo pilienu izmēru sadalījumu.
Kas ir emulsija?Emulsijas ir divu vai vairāku savstarpēji nesajaucamu šķidrumu dispersijas. Augstas intensitātes ultraskaņa nodrošina jaudu, kas nepieciešama, lai šķidro fāzi (disperso fāzi) izkliedētu sīkos pilienos otrā fāzē (nepārtrauktajā fāzē). Disperģēšanas zonā implodējoši kavitācijas burbuļi izraisa intensīvus triecienviļņus apkārtējā šķidrumā un rada šķidruma strūklas ar lielu plūsmas ātrumu.
Nanoemulsijas – jaudīgs ultraskaņas ierīču pielietojums
Nanoemulsijas ir emulsijas ar pilieniem, kuru izmērs parasti ir mazāks par 100 nanometriem. Nanoemulsijām ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām emulsijām, tostarp unikālas funkcionālās īpašības, augstāka stabilitāte, caurspīdīgums utt.
Apstrāde ar ultraskaņu pārspēj tradicionālās emulģēšanas tehnoloģijas, īpaši nanoemulsiju veidošanā. Tas ir saistīts ar ultraskaņas ļoti efektīvo un enerģētiski intensīvo darbības principu.
Tālāk redzamajā video parādīts eļļas (dzeltenā krāsā) emulģēšanas process ūdenī (sarkanā krāsā), izmantojot laboratorijas ultraskaņas ierīci UP400S.
Ultraskaņas emulģēšanas darbības princips
Akustiskā kavitācija: ultraskaņas emulģēšanas un nanoemulģēšanas virzītājspēks
Ultraskaņas emulģēšana balstās uz akustiskās kavitācijas spēcīgo iedarbību – parādību, kas rodas, augstas intensitātes ultraskaņas viļņiem izplatoties šķidrumā. Šajā procesā veidojas mikroskopiski burbuļi, kas aug un pēc tam strauji sabrūk. Šo burbuļu implozīvais sabrukums rada lokālus ekstremālus apstākļus, tostarp krasus spiediena un temperatūras gradientus, lielus bīdes spēkus, triecienviļņus un šķidruma mikrostrūklas. Šie spēki efektīvi sašķeļ lielas daļiņas, pilienus un aglomerātus daudz mazākās struktūrās.
Attēlā pa kreisi redzama akustiskā kavitācija, ko rada ultraskaņas procesors UIP1000hdT (1000 W), darbojoties ar šķidrumu piepildītā stikla kolonnā.
Kā akustiskā kavitācija uzlabo emulģēšanu
Gan emulģēšanā, gan nanoemulģēšanā kavitācijas intensitāte ir galvenais faktors, kas nosaka pilienu izmēru. Kavitācijas burbuļiem sabrūkot, radušies bīdes spēki sašķeļ lielākos pilienus arvien mazākos. Vienlaikus lokālās spiediena un temperatūras izmaiņas veicina jaunu pilienu veidošanos un palīdz stabilizēt emulsiju.
Šī pilienu sašķelšanas un stabilizācijas kombinācija ļauj ar ultraskaņas tehnoloģiju iegūt ļoti viendabīgas emulsijas ar īpaši smalku pilienu izmēru sadalījumu.
Pilienu izmēru sadalījums ūdens un olīveļļas emulsijās, kas sagatavotas ar (a) klasisko homogenizācijas metodi un (b) ultraskaņas homogenizācijas metodi (izmantojot UP400S), lietojot MD, WPI un to maisījumu, ar 40% sausnas un 9% eļļas saturu (w/w). Ultraskaņas emulģēšana nodrošina ievērojami mazākus pilienus, mazāku krēmošanos un labāku emulsijas kopējo stabilitāti.
(pētījums un grafiki: Zungur et al., 2015)
Ultraskaņas zondes efektīvai emulģēšanai
Hielscher piedāvā plašu zondes tipa ultraskaņas ierīču un piederumu klāstu efektīvai šķidrumu emulģēšanai un disperģēšanai porciju un caurplūdes režīmā.
Sistēmas, kas sastāv no vairākiem ultraskaņas procesoriem ar katra procesora jaudu līdz 16 000 vatiem, nodrošina nepieciešamo ražīgumu, lai šo laboratorijas pielietojumu pārvērstu efektīvā ražošanas metodē smalki disperģētu emulsiju iegūšanai nepārtrauktā plūsmā vai porcijās – sasniedzot rezultātus, kas ir salīdzināmi ar mūsdienās pieejamo labāko augstspiediena homogenizatoru, piemēram, jaunā atveres vārsta, rezultātiem. Papildus šai augstajai efektivitātei nepārtrauktā emulģēšanā Hielscher ultraskaņas ierīcēm nepieciešama ļoti neliela apkope, un tās ir ļoti viegli lietojamas un tīrāmas. Ultraskaņa patiešām palīdz tīrīšanā un skalošanā. Ultraskaņas jauda ir regulējama, un to var pielāgot konkrētiem produktiem un emulģēšanas prasībām. Ir pieejami arī īpaši plūsmas šūnu reaktori, kas atbilst paaugstinātajām CIP (tīrīšana uz vietas) un SIP (sterilizācija uz vietas) prasībām.
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks plūsmā uzstādāms homogenizācijas reaktors, kas piemērots (nano-)emulģēšanas procesiem ar lielu apstrādes ražīgumu.
| Porcijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0,5 līdz 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | iekārtu grupa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator ir jaudīgs piederums, kas ir saderīgs ar Hielscher ultraskaņas plūsmas šūnu reaktoriem: izmantojot ieliktni MPC48, disperģēto fāzi caur 48 kanilēm plānu šķidruma strūklu veidā ievada ultraskaņas intensīvās iedarbības zonā, kur disperģētā fāze un nepārtrauktā fāze tiek sajauktas, veidojot nanoemulsiju ar sīkiem pilieniem.
Uzziniet, kā MultiPhaseCavitator uzlabo emulģēšanu!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus maisīšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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
Noderīgi fakti
Termina «emulsija» definīcija
Emulsija ir divu vai vairāku savstarpēji nesajaucamu šķidrumu, piemēram, eļļas un ūdens, maisījums.
Emulsijas var būt gan eļļa ūdenī (kur eļļas pilieni ir disperģēti ūdenī), gan ūdens eļļā (kur ūdens pilieni ir disperģēti eļļā). Emulsijas izmanto dažādās jomās, tostarp pārtikas produktos (piemēram, salātu mērcēs un majonēzē), kosmētikā (piemēram, losjonos un krēmos) un farmaceitiskajos preparātos (piemēram, vakcīnās).
Emulgators darbojas, samazinot virsmas spraigumu starp abām savstarpēji nesajaucamajām vielām (piemēram, eļļu un ūdeni) emulsijā. Tas samazina abu vielu tieksmi atdalīties un ļauj tām veidot stabilu maisījumu.
Kā panākt emulsijas stabilitāti?
Emulsijas stabilitāti panāk, novēršot disperģētās fāzes (viena šķidruma pilienu) saplūšanu un atdalīšanos no nepārtrauktās fāzes (apkārtējā šķidruma). Lai panāktu emulsiju stabilitāti, jāņem vērā vairāki būtiski aspekti:
- Emulgatori (virsmaktīvās vielas):
– Loma: Emulgatori ir molekulas, kurām ir gan hidrofili (ūdeni piesaistoši), gan hidrofobi (ūdeni atgrūdoši) gali.
– Darbība: Tie samazina virsmas spraigumu starp abiem savstarpēji nesajaucamajiem šķidrumiem un veido aizsargslāni ap pilieniem, novēršot to saplūšanu.
– Piemēri: Lecitīns, polisorbāti un nātrija stearoillaktilāts. - Mehāniskās metodes:
Augstas veiktspējas maisīšana: Maisītāju ar lieliem bīdes spēkiem vai homogenizatoru izmantošana pilienu sadalīšanai mazākos pilienos, palielinot virsmas laukumu un uzlabojot stabilitāti. Zondes tipa ultraskaņas ierīču izmantošana ir lieliska un ļoti uzticama metode, kurā izmanto sonomehāniskos bīdes spēkus. Šie ultraskaņas radītie bīdes spēki sadala lielus pilienus sīkos pilienos un sajauc savstarpēji nesajaucamās fāzes stabilā emulsijā. - Viskozitātes modifikatori:
Biezinātāji: Nepārtrauktās fāzes viskozitātes palielināšana var palēnināt pilienu kustību, samazinot saplūšanas iespējamību.
– Piemēri: Ksantāna sveķi, guāra sveķi un karboksimetilceluloze. - Stabilizējošas vielas:
– Polimēri: Polimēri var nodrošināt stērisko stabilizāciju, veidojot biezu slāni ap pilieniem.
– Piemēri: Pektīns, želatīns un noteiktas olbaltumvielas. - Elektrostatiskā stabilizācija:
– Lādiņš: Daži emulgatori piešķir pilienu virsmai elektrisko lādiņu, liekot tiem savstarpēji atgrūsties un tādējādi samazinot saplūšanu.
– Piemēri: Nātrija kazeināts un sojas lecitīns. - Temperatūras kontrole:
– Dzesēšana: Temperatūras pazemināšana var palielināt nepārtrauktās fāzes viskozitāti un samazināt pilienu kinētisko enerģiju, novēršot saplūšanu.
– Fāžu atdalīšanās novēršana: Temperatūras uzturēšana diapazonā, kas novērš komponentu atdalīšanos. - Piedevas:
– Antioksidanti: Oksidēšanās novēršana var palīdzēt saglabāt emulgatora un citu komponentu integritāti.
– Helātveidotāji: Metālu jonu saistīšana, kuri citādi varētu destabilizēt emulsiju.
Izmantojot atbilstošu emulģēšanas paņēmienu, var panākt emulsiju stabilitāti, nodrošinot, ka maisījums laika gaitā saglabā viendabīgumu un vēlamās īpašības.
Stabilizējoši emulgatori
Parasti emulsijas jāstabilizē ar emulgatoru vai virsmaktīvo vielu. Emulgatori ir amfifīli – tie piesaista gan ūdeni, gan taukvielas. Tas nozīmē, ka tiem piemīt hidrofilas (ūdeni piesaistošas) un hidrofobas (eļļu piesaistošas) īpašības, kas ļauj tiem mijiedarboties gan ar emulsijas eļļas fāzi, gan ūdens fāzi. Emulgatora molekulas hidrofilā daļa piesaistās ūdens molekulām, savukārt hidrofobā daļa piesaistās eļļas molekulām.
Aptverot eļļas pilienus ar emulgatora molekulām, emulgators ap pilieniem veido aizsargslāni, kas neļauj tiem savstarpēji saskarties un koalescēt (saplūst), veidojot lielākus pilienus. Tas palīdz saglabāt emulsijas stabilitāti un novērš fāžu atdalīšanos.
Tā kā pilienu koalescence pēc to sašķelšanas ietekmē galīgo pilienu izmēru sadalījumu, tiek izmantoti efektīvi stabilizējoši emulgatori, lai saglabātu galīgo pilienu izmēru sadalījumu tādu pašu, kāds tas ir tūlīt pēc pilienu sašķelšanas ultraskaņas disperģēšanas zonā. Stabilizatori faktiski uzlabo pilienu sašķelšanu pie nemainīga enerģijas blīvuma.
Bieži izmantotu emulgatoru piemēri ir lecitīns (kas atrodams olu dzeltenumos un sojas pupās), mono- un diglicerīdi, polisorbāts 80 un nātrija stearoillaktilāts.
Miniemulsijas, kuras var efektīvi izveidot ar apstrādi ar ultraskaņu, veicina ķīmiskās reakcijas. Makroemulsijas polimerizācija (a) salīdzinājumā ar miniemulsijas polimerizāciju (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.