Emulgācija ar ultraskaņas kavitāciju
Plašs starpproduktu un patēriņa preču klāsts – piemēram, kosmētika, ādas losjoni, farmaceitiskās ziedes, lakas, krāsas, smērvielas un degvielas – ir pilnībā vai daļēji balstīti uz emulsijām.
Hielscher ražo pasaulē lielākos rūpnieciskos ultraskaņas šķidrumu apstrādes iekārtas, kas paredzētas liela apjoma plūsmu efektīvai emulgēšanai ražotnēs.
Kā darbojas ultraskaņas emulsifikācija
Lietojums laboratorijās: Laboratorijas apstākļos ultraskaņas emulgēšanas spējas ir zināmas un tiek izmantotas jau ilgu laiku, pateicoties dažādajām priekšrocībām, kas saistītas ar ultraskaņas homogenizāciju un emulgēšanu.
Tehnoloģija
Uzticama ultraskaņas emulgēšana balstās uz ultraskaņas zondes, ko sauc arī par sonotrodēm, izmantošanu. Process noris šādi:
- Ultraskaņas savienojums: Ar ultraskaņas zondi šķidrumā tiek ievadīts augstas intensitātes ultraskaņas signāls, izraisot akustisko kavitāciju.
- Kavitācijas efekts: Ultraskaņas vai akustiskā kavitācija rada lielus šķēres spēkus, kas nodrošina nepieciešamo enerģiju, lai sadalītu lielus pilienus līdz nanoizmēra pilieniem.
- Emulsijas veidošanās: Divas vai vairākas šķidrās fāzes tiek sajauktas, veidojot vienveidīgu submikronu vai nanoemulsiju.
Ražošanas mēroga palielināšana, izmantojot caurplūdes tehnoloģiju: Ultraskaņas plūsmas kameru izmantošana ļauj lineāri palielināt nanoemulsiju ražošanas apjomus līdz rūpnieciskai ražošanai, nepārtraukti apstrādājot liela apjoma plūsmas.
Skaidras nanoemulsijas pagatavošana ar ultraskaņas iekārtu UP400ST.
Ultraskaņas emulgēšanas 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 vajadzīgā tilpuma, padarot to par daudzpusīgu procesu gan laboratorijas, gan rūpnieciskiem lietojumiem.
- Laika taupīšana: Ultraskaņas emulgācija var būt ļoti ātrs process, emulsijas veidojas sekundēs līdz minūtēs, atkarībā no šķidrumiem, tilpuma un aprīkojuma.
- Samazināta vajadzība pēc virsmaktīvajām vielām: Ultraskaņas emulgācija var samazināt nepieciešamību pēc virsmaktīvajām vielām, kas bieži ir nepieciešamas, lai stabilizētu emulsijas. Tomēr, samazinot pilienu izmēru, daļiņu virsmas laukums tiek palielināts, un vairāk laukuma jāpārklāj ar virsmaktīvo vielu. 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 ražošanu apstrādes laikā var izvairīties vai samazināt līdz nelielai pakāpei. Tādējādi tiek samazināts jutīgu savienojumu vai sastāvdaļu termiskās noārdīšanās risks.
Ultraskaņas emulgācijas priekšrocības, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru, padara to par lielisku izvēli emuulācijai dažādās jomās, ieskaitot pārtiku un dzērienus, farmaceitiskos līdzekļus, kosmētiku, smalkas ķimikālijas un degvielu.
Lasiet vairāk par ultraskaņas majonēzes emulgāciju!
Lasiet vairāk par parafīna vaska emulsiju ražošanu, izmantojot ultraskaņu!
Lasiet vairāk par ūdens-dīzeļdegvielas emulsijām, kas ražotas, izmantojot ultraskaņu!
DLS mērījumi liecina par vienmērīgu pilienu izmēru sadalījumu ultraskaņas ceļā iegūtajā rožu eļļas-ūdens emulsijā.
Kas ir emulsija?Emulsijas ir divu vai vairāku nesajaucamu šķidrumu dispersijas. Ļoti intensīva ultraskaņa nodrošina jaudu, kas nepieciešama, lai izkliedētu šķidro fāzi (disperģēto fāzi) mazos pilienos otrajā fāzē (nepārtrauktā fāze). Izkliedēšanas zonā implodējošie kavitācijas burbuļi izraisa intensīvus trieciena viļņus apkārtējā šķidrumā un izraisa šķidruma strūklu veidošanos ar augstu šķidruma ātrumu.
nanoemulsijas – Sonicatoru enerģijas lietojumprogramma
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, īpaši, ja runa ir par nanoemulsiju veidošanos. Tas ir saistīts ar ļoti efektīvu un energoietilpīgu ultraskaņas darba principu.
Zemāk redzamais video parāda eļļas (dzeltenās) emulgācijas procesu ūdenī (sarkanā krāsā), izmantojot UP400S laboratorijas ultrasonikatoru.
Ultraskaņas emuulsifikācijas darba princips
Akustiskā kavitācija: ultraskaņas emulsifikācijas un nanoemulsifikācijas virzītājspēks
Ultraskaņas emulgēšana balstās uz akustiskās kavitācijas spēcīgo iedarbību — parādību, kas rodas, kad augstas intensitātes ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā. Šī procesa laikā veidojas mikroskopiski burbuļi, kas aug un pēc tam strauji sabrūk. Šo burbuļu implozīvā sabrukšana rada ārkārtēji lokalizētus apstākļus, tostarp intensīvus spiediena un temperatūras gradientus, lielas šķēres spēkus, triecienviļņus un šķidruma mikrostrūklas. Šīs spēkas efektīvi sadala lielas daļiņas, pilieniņus un aglomerātus daudz mazākās struktūrās.
Attēls pa kreisi attēlo akustisko kavitāciju, ko rada ultraskaņas procesors UIP1000hdT (1000 W), darbojoties ar šķidrumu piepildītā stikla kolonnā.
Kā akustiskā kavitācija uzlabo emulgēšanu
Gan emulgēšanas, gan nanoemulgēšanas procesā kavitācijas intensitāte ir galvenais faktors, kas nosaka pilienu izmēru. Kavitācijas burbuļiem sabrūkot, radušās šķēres spēkas sadala lielākus pilienus arvien mazākos. Tajā pašā laikā lokālas spiediena un temperatūras izmaiņas veicina jaunu pilienu veidošanos, vienlaikus palīdzot stabilizēt emulsiju.
Šī pilienu sadalīšanas un stabilizācijas kombinācija ļauj, izmantojot ultraskaņas tehnoloģiju, iegūt ļoti viendabīgas emulsijas ar izcilu pilienu izmēru sadalījumu.
Ūdens un olīveļļas emulsiju pilienu izmēru sadalījums, kas pagatavotas, izmantojot (a) klasisko homogenizācijas metodi un (b) ultraskaņas homogenizāciju (izmantojot UP400S) ar MD, WPI un to maisījumu, kurā ir 40 % sausnas un 9 % eļļas (masas procentos). Ultraskaņas emulgēšana nodrošina ievērojami mazākus pilienus, mazāku krējuma veidošanos un labāku emulsijas stabilitāti kopumā.
(pētījums un grafiki: Zungur et al., 2015)
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 pārvērstu šo laboratorijas lietojumprogrammu efektīvā ražošanas metodē, lai iegūtu smalki izkliedētas emulsijas nepārtrauktā plūsmā vai partijā – sasniedzot rezultātus, kas ir salīdzināmi ar mūsdienu labākajiem pieejamajiem augstspiediena homogenizatoriem, piemēram, jauno atveres vārstu. Papildus šai augstajai efektivitātei nepārtrauktā emulgācijā Hielscher ultraskaņas ierīcēm nepieciešama ļoti zema apkope, un tās ir ļoti viegli lietojamas un tīrāmas. Ultraskaņa faktiski atbalsta tīrīšanu un skalošanu. Ultraskaņas jauda ir regulējama un to var pielāgot konkrētiem produktiem un emulgācijas prasībām. Ir pieejami arī īpaši plūsmas šūnu reaktori, kas atbilst uzlabotajām CIP (clean-in-place) un SIP (sterilizēt-in-place) prasībām.
MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks inline homogenizācijas reaktors, kas piemērots (nano)emulgācijas procesiem ar augstu caurlaidspēju.
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0.5 līdz 1,5 ml | n.p. | VialTweeter | 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Daudzfāzu kavitators (MPC48)
MultiPhaseCavitator ir jaudīgs piederums, kas ir saderīgs ar Hielscher ultraskaņas plūsmas kameru reaktoriem: izmantojot ieliktni MPC48, disperģētā fāze tiek ievadīta caur 48 kanulām kā plānas šķidruma strūklas ultraskaņas karstajā zonā, kur disperģētā fāze un nepārtraukta fāze tiek sajauktas kā sīki pilieni, veidojot nanoemulsiju.
Uzziniet, kā MultiPhaseCavitator uzlabo emulgēšanu!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma 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
Fakti, kurus 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, ieskaitot pārtikas produktus (piemēram, salātu mērces un majonēzi), kosmētiku (piemēram, losjonus un krēmus) un farmaceitiskos līdzekļus (piemēram, vakcīnas).
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.
Kā emulsija tiek padarīta stabila?
Emulsija tiek padarīta stabila, novēršot disperģētās fāzes (viena šķidruma pilienu) saplūšanu un atdalīšanos no nepārtrauktās fāzes (apkārtējā šķidruma). Lai panāktu emulsiju stabilitāti, jāņem vērā vairāki galvenie punkti:
- Emulgatori (virsmaktīvās vielas):
– Loma: Emulgatori ir molekulas, kurām ir gan hidrofili (ūdeni piesaistoši), gan hidrofobi (ūdeni atgrūdoši) gali.
– Darbība: Tie samazina virsmas spraigumu starp diviem nesajaucamiem šķidrumiem un veido aizsargslāni ap pilieniem, neļaujot tiem saplūst.
– Piemēri: Lecitīns, polisorbāti un nātrija stearoillaktilāts. - Mehāniskās metodes:
Augstas veiktspējas sajaukšana: Izmantojot augstas bīdes maisītājus vai homogenizatorus, lai sadalītu pilienus mazākos izmēros, palielinot virsmas laukumu un uzlabojot stabilitāti. Zondes tipa sonikatori ir lieliska un ļoti uzticama metode, izmantojot sonomehāniskos bīdes spēkus. Šie ultraskaņas bīdes spēki sadala lielus pilienus minūšu pilienos un sajauc nesajaucamās fāzes stabilā emulsijā. - Viskozitātes modifikatori:
Biezinātājvielas: Nepārtrauktās fāzes viskozitātes palielināšana var palēnināt pilienu kustību, samazinot saplūšanas iespējamību.
– Piemēri: Ksantāna sveķi, guāra sveķi un karboksimetilceluloze. - Stabilizējoši līdzekļi:
– Polimēriem: Polimēri var nodrošināt sterisko stabilizāciju, veidojot biezu slāni ap pilieniem.
– Piemēri: Pektīns, želatīns un daži proteīni. - Elektrostatiskā stabilizācija:
– Maksas: Daži emulgatori pilienu virsmai piešķir elektrisko lādiņu, liekot tiem atvairīt viens otru un tādējādi samazinot saplūšanu.
– Piemēri: Nātrija kazeināts un sojas lecitīns. - Temperatūras kontrole:
– Dzesēšanas: Temperatūras pazemināšana var palielināt nepārtrauktās fāzes viskozitāti un samazināt pilienu kinētisko enerģiju, novēršot saplūšanu.
– Izvairīšanās no fāzu atdalīšanas: Nodrošinot, ka temperatūra paliek diapazonā, kas novērš komponentu atdalīšanos. - Piedevas:
– Antioksidanti: Oksidācijas novēršana var palīdzēt saglabāt emulgatora un citu sastāvdaļu integritāti.
– Helātu veidošanās aģenti: Metāla jonu saistīšana, kas citādi varētu destabilizēt emulsiju.
Izmantojot pareizu emulģēšanas metodi, emulsijas var padarīt stabilas, nodrošinot, ka maisījums laika gaitā paliek viendabīgs un saglabā vēlamās īpašības.
Stabilizējoši emulgatori
Parasti emulsijām nepieciešama stabilizācija, izmantojot emulgatoru vai virsmaktīvo vielu. Emulgatori ir amfifili – tie piesaista gan ūdeni, gan taukvielas. Tas nozīmē, ka viņiem ir hidrofilas (ūdeni mīlošas) un hidrofobas (eļļu mīlošas) īpašības, kas ļauj tām mijiedarboties gan ar emulsijas eļļas, gan ūdens fāzēm. Emulgatora molekulas hidrofilā daļa piesaistās ūdens molekulām, bet hidrofobā daļa piesaistās eļļas molekulām.
Apņemot eļļas pilienus ar emulgatora molekulām, emulgators ap pilieniem izveido aizsargslāni, kas neļauj tiem saskarties savā starpā un saplūst (savienojas), veidojot lielākus pilienus. Tas palīdz uzturēt emulsiju stabilu un novērš atdalīšanos.
Tā kā pilienu saplūšana pēc traucējumiem ietekmē galīgo pilienu lieluma sadalījumu, efektīvi stabilizējošie emulgatori tiek izmantoti, lai saglabātu galīgo pilienu lieluma sadalījumu tādā līmenī, kas ir vienāds ar sadalījumu tūlīt pēc pilienu traucējumiem ultraskaņas izkliedēšanas zonā. Stabilizatori faktiski uzlabo pilienu traucējumus pie nemainīga enerģijas blīvuma.
Parasti izmantoto emulgatoru piemēri ir lecitīns (kas atrodams olu dzeltenumos un sojas pupās), mono- un diglicerīdi, polisorbāts 80 un nātrija stearoyl lactylate.
Miniemulsijas, kuras var efektīvi izveidot ar ultrasonication, uzlabo ķīmiskās reakcijas. Makroemulsijas polimerizācija (a) pret miniemulsijas polimerizāciju (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.