Emulgācija ar ultraskaņas kavitāciju
Plašs starpproduktu un patēriņa produktu klāsts, piemēram, kosmētika un ādas losjoni, farmaceitiskās ziedes, lakas, krāsas, smērvielas un degvielas, pilnībā vai daļēji balstās uz emulsijām. Hielscher ražo pasaulē lielākos rūpnieciskos ultraskaņas šķidruma procesorus, lai efektīvi emulģētu liela apjoma plūsmas ražošanas uzņēmumos.
Ultraskaņas emulgācija
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 sonotrodes, izmantošanu. Izmantojot ultraskaņas zondi, augstas intensitātes ultraskaņa tiek savienota šķidrumos un rada akustisku kavitāciju. Ultraskaņas vai akustiskā kavitācija rada augstus bīdes spēkus, kas nodrošina nepieciešamo enerģiju, lai izjauktu lielus pilienus līdz nano izmēra pilieniem. Tādējādi divas vai vairākas šķidrās fāzes sajauc vienotā submikronu vai nanoemulsijā.
Izmantojot ultraskaņas plūsmas šūnas, var lineāri palielināt nanoemulsiju rūpniecisko ražošanu, apstrādājot liela apjoma plūsmas nepārtrauktā caurplūdē.
MultiPhaseCavitator: Unikālais Hielscher plūsmas šūnu ieliktnis MPC48 ir spēcīgs piederums, kas ir saderīgs ar Hielscher ultraskaņas plūsmas šūnu reaktoriem. Izmantojot ieliktni MPC48, disperģētā fāze tiek ievadīta caur 48 kanulām kā plānām šķidrām dzīslām ultraskaņas karstajā zonā, kur disperģētā fāze un nepārtrauktā fāze tiek sajauktas kā minūtes pilieni nanoemulsijā. Lasiet vairāk par ultraskaņas plūsmas šūnu ieliktni MPC48!
Ultrasonikatori ir uzticami un efektīvi, ražojot submikronu un nano izmēra emulsijas.
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 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!
Ultraskaņas sagatavošana eļļas-ūdens (O / W) emulsijai (sarkans ūdens / dzeltena eļļa). Dažas sekundes ultraskaņas pārvērš atsevišķās ūdens / eļļas fāzes smalkā emulsijā.
Zemāk redzamais video parāda eļļas (dzeltenās) emulgācijas procesu ūdenī (sarkanā krāsā), izmantojot UP400S laboratorijas ultrasonikatoru.
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.
Miniemulsijas, kuras var efektīvi izveidot ar ultrasonication, uzlabo ķīmiskās reakcijas. Makroemulsijas polimerizācija (a) pret miniemulsijas polimerizāciju (b) [Schork et al. 2005: 136]
nanoemulsijas – 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, īpaši, ja runa ir par nanoemulsiju veidošanos. Tas ir saistīts ar ļoti efektīvu un energoietilpīgu ultraskaņas darba principu.
Ultraskaņas emuulsifikācijas darba princips
Ultraskaņas emulgācijas procesi izmanto akustiskās kavitācijas spēkus. 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 mikrostrūklas, kas var sadalīt lielas daļiņas un aglomerātus mazākos. Kreisais attēls parāda ultraskaņas kavitāciju, kas rodas ultraskaņas aparāta UIP1000hdT (1000 vati) zondē ar šķidrumu piepildītā stikla kolonnā.
Emulgācijā un nanoemulgācijā akustiskās kavitācijas intensitātei ir izšķiroša loma, samazinot pilienu lielumu emulsijā. Kavitācijas burbuļu implosīvais sabrukums var radīt spēcīgus bīdes spēkus, kas lielākus pilienus sadala 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 ievadi šķidrā vidē, bez nepieciešamības pēc augstiem mehāniskiem vai termiskiem spriegumiem. Tas padara to par pievilcīgu nanoemulgācijas tehniku, jo tas var samazināt emulgācijas procesam nepieciešamo enerģijas patēriņu, vienlaikus panākot mazāku pilienu izmēru un šaurāku pilienu izmēru sadalījumu.
Sakarā ar šiem precīzi kontrolējamiem ultraskaņas spēkiem, akustiskā kavitācija ir spēcīgs līdzeklis nano-emulgācijai. Tā spēja radīt lokalizētu un intensīvu enerģijas ievadi ļauj sadalīt lielākus pilienus, veidojot submikronu un nano izmēra pilienus ar ļoti augstu efektivitāti.
Pētījumi ar eļļas ūdenī (ūdens fāze) un ūdens eļļā (eļļas fāzes) emulsijām ir parādījuši korelāciju starp enerģijas blīvumu un pilienu lielumu (piemēram, Sautera diametrs). Ir skaidra tendence mazākam pilienu izmēram, palielinoties enerģijas blīvumam (Noklikšķiniet labajā grafikā). 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 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!
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.
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 pareizo emulgācijas tehniku, emulsijas var padarīt stabilas, nodrošinot, ka maisījums paliek viendabīgs un laika gaitā 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.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.