Emulgēšana ar ultraskaņas kavitāciju
Plašs starpproduktu un plaša patēriņa produktu klāsts, piemēram, kosmētika un ādas losjoni, farmaceitiskās ziedes, lakas, krāsas, smērvielas un degviela, pilnībā vai daļēji balstās uz emulsijām. Hielscher ražo pasaulē lielākos rūpnieciskos ultraskaņas šķidruma procesorus, lai efektīvi emulģētu liela apjoma plūsmas ražotnēs.
Ultraskaņas Emulsifikācija
Laboratorijā ultraskaņas emulgācijas jauda ir zināma un piemērota jau ilgu laiku, pateicoties dažādām priekšrocībām, kas saistītas ar ultraskaņas homogenizāciju un emulgāciju. Uzticama ultraskaņas emulgācija ir balstīta uz ultraskaņas zondes, tā saukto sonotrodu, izmantošanu. Izmantojot ultraskaņas zondi, augstas intensitātes ultraskaņa tiek savienota šķidrumos un rada akustisku kavitāciju. Ultraskaņas vai akustiskā kavitācija rada lielus bīdes spēkus, kas nodrošina nepieciešamo enerģiju, lai izjauktu lielus pilienus līdz nano izmēra pilieniem. Tādējādi divas vai vairākas šķidrās fāzes tiek sajauktas vienotā submikrona vai nanoemulsijā.
Ultrasonikatori ir uzticami un efektīvi submikronu un nano izmēra emulsiju ražošanā.
Ultraskaņas emuulsifikācijas priekšrocības
Ultraskaņas emulgācija, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru, piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar citām emulgācijas metodēm:
- Uzlabota emulsijas stabilitāte: Ultraskaņas emulgācija rada mazākus pilienu izmērus un vienmērīgāku pilienu sadalījumu, kā rezultātā uzlabojas emulsijas stabilitāte un ilgāks glabāšanas laiks. Submikronu un nano izmēra pilienus var droši ražot, izmantojot jaudas ultraskaņu.
- Energoefektivitātes: Ultraskaņas emulgācija prasa mazāk enerģijas nekā citas emulgācijas metodes, padarot to par energoefektīvāku procesu.
- Mērogojamība: Ultraskaņas emulgāciju var viegli palielināt vai samazināt atkarībā no nepieciešamā apjoma, padarot to par daudzpusīgu procesu gan laboratorijas, gan rūpnieciskiem lietojumiem.
- Laika taupīšana: Ultraskaņas emulgācija var būt ļoti ātrs process, emulsijām veidojot sekundes līdz minūtes, atkarībā no šķidrumiem, tilpuma un aprīkojuma.
- Samazināta vajadzība pēc virsmaktīvajām vielām: Ultraskaņas emulgācija var samazināt nepieciešamību pēc virsmaktīvajām vielām, kas bieži ir nepieciešamas emulsiju stabilizēšanai. Tomēr ar samazinātu pilienu izmēru daļiņas virsmas laukums tiek palielināts, un virsmaktīvajai vielai jāpārklāj lielāks laukums. Ultrasonication ir saderīgs ar gandrīz jebkura veida virsmaktīvo vielu, ieskaitot alternatīvus un jaunus emulgatorus.
- Minimāla un kontrolējama siltuma ražošana: Ultraskaņas emulgācija ir netermisks process, un siltuma veidošanos apstrādes laikā var izvairīties vai samazināt līdz nelielai pakāpei. Tādējādi tiek samazināts jutīgo savienojumu vai sastāvdaļu termiskās degradācijas risks.
Kopumā ultraskaņas emuulsifikācijas priekšrocības, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru, padara to par populāru izvēli emulgācijai dažādās jomās, tostarp pārtikā un dzērienos, farmācijā, kosmētikā, smalkās ķimikālijās un degvielās.
Ultraskaņas sagatavošana eļļas-in-ūdens (O / W) emulsija (sarkanā ūdens / dzeltena eļļa). Dažas sekundes ultraskaņas pārvērš atsevišķas ūdens / eļļas fāzes par smalku emulsiju.
Zemāk redzamajā videoklipā parādīts eļļas (dzeltenas) emulgācijas process ūdenī (sarkanā krāsā), izmantojot UP400S laboratorijas ultrasonikatoru.
Kas ir emulsija?Emulsijas ir divu vai vairāku nesasajaukjamu šķidrumu izkliedēšanās. Ļoti intensīva ultraskaņa nodrošina jaudu, kas nepieciešama, lai disperģtu šķidru fāzi (izkliedētu fāzi) mazos pilieniem otrajā fāzē (nepārtrauktā fāze). Izkliedējošās zonās, imploding Kavitāciju burbuļi izraisīt intensīvu triecienu viļņi apkārtējo šķidrumu un rezultātā veidošanās šķidro strūklu augsta šķidruma ātrumu.
Miniemulsijas, ko var efektīvi izveidot ar ultrasonikāciju, uzlabo ķīmiskās reakcijas. Makroemulsijas polimerizācija (a) pret miniemulsijas polimerizāciju (b) [Schork et al. 2005: 136]
Nano emulsijas – Jaudas lietojumprogramma ultrasonikatoriem
Nanoemulsijas ir emulsijas ar pilieniem, kuru izmērs parasti ir mazāks par 100 nanometriem. Nanoemulsijas piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām emulsijām, tostarp unikālas funkcionālās īpašības, augstāku stabilitāti, caurspīdīgumu utt.
Ultrasonication pārspēj tradicionālās emulgācijas tehnoloģijas, it īpaši, ja runa ir par nanoemulsiju veidošanos. Tas ir saistīts ar ļoti efektīvu un energoietilpīgu ultraskaņas darbības principu.
Ultraskaņas emuulsifikācijas darba princips
Ultraskaņas emulgācijas procesos tiek izmantoti akustiskās kavitācijas spēki. Akustiskā kavitācija attiecas uz mazu burbuļu veidošanās, augšanas un implosīva sabrukuma parādību šķidrā vidē, kas pakļauta augstas intensitātes ultraskaņas viļņiem. Šo burbuļu implosija rada intensīvus vietējā spiediena un temperatūras gradientus, kas var radīt augstas bīdes spēkus, triecienviļņus un mikro strūklas, kas var sadalīt lielas daļiņas un aglomerātus mazākās. Kreisajā attēlā redzama ultraskaņas kavitācija, kas radīta ultrasonicator UIP1000hdT (1000 vati) zondē ar šķidrumu piepildītā stikla kolonnā.
Emulgācijā un nanoemulgācijā akustiskās kavitācijas intensitātei ir izšķiroša loma pilienu lieluma samazināšanā emulsijā. Kavitācijas burbuļu implosīvais sabrukums var radīt spēcīgus bīdes spēkus, kas sadala lielākus pilienus mazākos. Turklāt kavitācijas radītie vietējie spiediena un temperatūras gradienti var arī veicināt jaunu pilienu veidošanos un stabilizēt emulsiju.
Akustiskās kavitācijas unikālais aspekts ir tā spēja nodrošināt lokalizētu un intensīvu enerģijas padevi šķidrā vidē, bez nepieciešamības pēc augstiem mehāniskiem vai termiskiem spriegumiem. Tas padara to par pievilcīgu nanoemulgācijas paņēmienu, jo tas var samazināt enerģijas patēriņu, kas nepieciešams emulgācijas procesam, vienlaikus panākot mazāku pilienu izmēru un šaurāku pilienu izmēra sadalījumu.
Sakarā ar šiem precīzi kontrolējamiem ultraskaņas spēkiem akustiskā kavitācija ir spēcīgs instruments nanoemulgācijai. Tā spēja radīt lokalizētu un intensīvu enerģijas ievadi ļauj ļoti augstā efektivitātē sadalīt lielākus pilienus, kas veido submikronu un nano izmērus.
Pētījumi ar eļļu ūdenī (ūdens fāze) un ūdens eļļā (eļļas fāze) emulsijas rāda sakarību starp enerģijas blīvumu un pilienu izmēru (piemēram, Zauteru diametrs). Ir vērojama acīmredzama nosliece uz mazāku pilienu izmēru, palielinot enerģētisko blīvumu (noklikšķiniet uz pareizā grafika). Atbilstošos enerģijas blīvuma līmeņos ultraskaņa var viegli un droši sasniegt vidējos pilienu izmērus nano diapazonā.
Ultraskaņas zondes efektīvai emulgācijai
Hielscher piedāvā plašu zondes tipa ultrasonikatoru un piederumu klāstu efektīvai šķidrumu emulgācijai un izkliedēšanai partijas un caurplūdes režīmā.
Sistēmas, kas sastāv no vairākiem ultraskaņas procesoriem līdz 16 000 vatiem, nodrošina jaudu, kas nepieciešama, lai šo laboratorijas lietojumprogrammu pārvērstu efektīvā ražošanas metodē, lai iegūtu smalki disperģētas emulsijas nepārtrauktā plūsmā vai partijā – sasniegt rezultātus, kas ir salīdzināmi ar šodienas labākajiem augsta spiediena homogenizatoriem, piemēram, ar jauno atveres vārstu. Turklāt Hielscher ultraskaņas ierīces ir ļoti efektīvas nepārtrauktās emulsifikācijas gadījumā, un tām ir ļoti viegli darboties un tīrīt. Ultraskaņa tiešām atbalsta tīrīšanu un skalošana. Ultraskaņas spēks ir regulējams, un to var pielāgot konkrētiem produktiem un emulgēšanas prasībām. Īpaši plūsmas šūnu reaktori, kas atbilst Advanced CIP (tīru-in-vietā) un SIP (sterilizē-in-vietā) prasības ir pieejamas, too.
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks inline homogenizācijas reaktors, kas piemērots (nano)emulgācijas procesiem ar augstu caurlaidspēju.
| partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamie ierīces |
|---|---|---|
| 0.5 līdz 1.5mL | nav | | VialTweeter | 1 līdz 500mL | 10 līdz 200 ml / min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 0.2 līdz 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100 l | 2 līdz 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| nav | | 10 līdz 100 l / min | UIP16000 |
| nav | | lielāks | klasteris UIP16000 |
Sazinies ar mums! / Uzdot mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus lietojumprogrammu sajaukšanai, dispersijai, emuulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijā, pilotā un rūpnieciskajā 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.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
- F. Joseph Schork; Yingwu Luo; Wilfred Smulders; James P. Russum; Alessandro Butté; Kevin Fontenot (2005): Miniemulsion Polymerization. Adv Polym Sci (2005) 175: 129–255.
Fakti ir vērts zināt
Termina definīcija “Emulsijas”
Emulsija ir divu vai vairāku nesajaucamu šķidrumu, piemēram, eļļas un ūdens, maisījums.
Emulsijas var būt vai nu eļļa-ūdenī (kur eļļas pilieni tiek izkliedēti ūdenī), vai ūdens eļļā (kur ūdens pilieni tiek izkliedēti eļļā). Emulsijas tiek izmantotas dažādos lietojumos, tostarp pārtikas produktos (piemēram, salātu mērcēs un majonēzē), kosmētikā (piemēram, losjonos un krēmos) un farmācijā (piemēram, vakcīnās).
Emulgators darbojas, samazinot virsmas spraigumu starp divām nesajaucamām vielām (piemēram, eļļu un ūdeni) emulsijā. Tas samazina abu vielu tendenci atdalīties un ļauj tām veidot stabilu maisījumu.
Stabilizējošs emulgators
Kopumā emulsijām nepieciešama stabilizācija, izmantojot emulgatoru vai virsmaktīvo vielu. Emulgatori ir amfifili – tie piesaista gan ūdeni, gan taukvielas. Tas nozīmē, ka tiem piemīt hidrofilas (ūdeni mīlošas) un hidrofobas (eļļu mīlošas) īpašības, kas ļauj tām mijiedarboties gan ar emulsijas eļļas, gan ūdens fāzēm. Emulgatora molekulas hidrofilā daļa piestiprinās pie ūdens molekulām, bet hidrofobā daļa piestiprinās pie eļļas molekulām.
Apņemot eļļas pilienus ar emulgatora molekulām, emulgators ap pilieniem izveido aizsargslāni, kas neļauj tiem saskarties savā starpā un saplūst (savienoties), veidojot lielākus pilienus. Tas palīdz uzturēt emulsiju stabilu un novērš atdalīšanu.
Tā kā pilienu saplūšana pēc traucējumiem ietekmē galīgo pilienu lieluma sadalījumu, tiek izmantoti efektīvi stabilizējoši emulgatori, lai saglabātu galīgo pilienu lieluma sadalījumu līmenī, kas ir vienāds ar sadalījumu tūlīt pēc pilienu pārtraukšanas ultraskaņas izkliedēšanas zonā. Stabilizatori faktiski uzlabo pilienu traucējumus pie nemainīga enerģijas blīvuma.
Bieži izmantoto emulgatoru piemēri ir lecitīns (kas atrodams olu dzeltenumos un sojas pupās), mono- un diglicerīdi, polisorbāts 80 un nātrija stearoillaktilāts.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Laboratorija lai rūpnieciskais izmērs.