Emulgeren door ultrasone cavitatie
Een groot aantal tussen- en consumentenproducten, zoals cosmetica en huidlotions, farmaceutische zalven, vernissen, verven en smeermiddelen en brandstoffen zijn geheel of gedeeltelijk gebaseerd op emulsies. Hielscher produceert 's werelds grootste industriële ultrasone vloeistofprocessoren voor het efficiënt emulgeren van grote volumestromen in productie-installaties.
ultrasone Emulgeren
In het laboratorium is het emulgeervermogen van ultrageluid al lang bekend en wordt het toegepast vanwege verschillende voordelen die verbonden zijn aan ultrasone homogenisatie en emulsificatie. Betrouwbare ultrasone emulsificatie is gebaseerd op het gebruik van ultrasone sondes, de zogenaamde sonotrodes. Via de ultrasone sonde wordt ultrageluid met hoge intensiteit in vloeistoffen gebracht en ontstaat akoestische cavitatie. Ultrasone of akoestische cavitatie genereert hoge schuifkrachten, die de vereiste energie leveren om grote druppels tot nanoformaat te verstoren. Daarbij worden twee of meer vloeibare fasen gemengd tot een uniforme submicron- of nano-emulsie.
Ultrasone machines zijn betrouwbaar en efficiënt in het produceren van emulsies van submicron- en nanoformaat.
Voordelen van ultrasone emulsificatie
Ultrasone emulsificatie met behulp van een ultrasone sonde biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere emulgeertechnieken:
- Verbeterde emulsiestabiliteit: Ultrasone emulsificatie zorgt voor kleinere druppels en een meer uniforme druppelverdeling, wat resulteert in een betere stabiliteit van de emulsie en een langere houdbaarheid. Submicron- en nanodruppels kunnen op betrouwbare wijze worden geproduceerd met vermogensechografie.
- Energie-efficiëntie: Ultrasone emulsificatie vergt minder energie dan andere emulsificatiemethoden, waardoor het een energie-efficiënter proces is.
- Schaalbaarheid: Ultrasone emulsificatie kan gemakkelijk worden opgeschaald, afhankelijk van het vereiste volume, waardoor het een veelzijdig proces is voor zowel laboratorium- als industriële toepassingen.
- Tijdbesparend: Ultrasoon emulgeren kan een zeer snel proces zijn, waarbij emulsies in seconden tot minuten worden gevormd, afhankelijk van de vloeistoffen, het volume en de apparatuur.
- Minder behoefte aan oppervlakte-actieve stoffen: Ultrasone emulsie kan de behoefte aan oppervlakte-actieve stoffen, die vaak nodig zijn om emulsies te stabiliseren, verminderen. Met een kleinere druppelgrootte wordt het oppervlak van het deeltje echter groter en moet een groter oppervlak door een oppervlakte-actieve stof worden bedekt. Ultrasoonbehandeling is compatibel met bijna alle soorten oppervlakte-actieve stoffen, met inbegrip van alternatieve en nieuwe emulgatoren.
- Minimale en beheersbare warmteontwikkeling: Ultrasone emulsificatie is een niet-thermisch proces en de warmteontwikkeling tijdens de verwerking kan worden vermeden of in geringe mate worden beperkt. Daardoor wordt het risico van thermische afbraak van gevoelige verbindingen of ingrediënten beperkt.
In het algemeen maken de voordelen van ultrasone emulsificatie met een ultrasoonapparaat van het sonde-type het tot een populaire keuze voor emulsificatie op verschillende gebieden, waaronder levensmiddelen en dranken, farmaceutica, cosmetica, fijnchemicaliën en brandstoffen.
Ultrasone bereiding van een olie-in-water (O/W) emulsie (rood water / gele olie). Een paar seconden sonicatie maken van de afzonderlijke water/olie-fasen een fijne emulsie.
Onderstaande video toont het emulgeerproces van olie (geel) in water (rood) met behulp van de UP400S labo-ultrasoon.
Wat is een Emulsie?Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeistoffen. Zeer intensieve ultrasone golven leveren het vermogen dat nodig is om een vloeibare fase (gedispergeerde fase) in kleine druppeltjes in een tweede fase (continue fase) te verspreiden. In de dispersiezone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intensieve schokgolven in de omringende vloeistof en resulteren in de vorming van vloeistofstralen met een hoge vloeistofsnelheid.
Miniemulsies, die efficiënt kunnen worden gecreëerd door middel van ultrasone trillingen, versterken chemische reacties. Macro-emulsie polymerisatie (a) versus miniemulsie polymerisatie (b) [Schork et al. 2005: 136].
Nano-emulsies – Een vermogenstoepassing voor ultrasone apparaten
Nano-emulsies zijn emulsies met druppels die doorgaans minder dan 100 nanometer groot zijn. Nano-emulsies bieden verschillende voordelen ten opzichte van conventionele emulsies, zoals unieke functionele eigenschappen, hogere stabiliteit, transparantie, enz.
Ultrasoon geluid overtreft de traditionele emulgeringstechnologieën, vooral wanneer het gaat om de vorming van nano-emulsies. Dit komt door het zeer efficiënte en energie-intense werkingsprincipe van ultrageluid.
Werkingsprincipe van ultrasone emulsificatie
Ultrasone emulgeerprocessen maken gebruik van de krachten van akoestische cavitatie. Akoestische cavitatie verwijst naar het verschijnsel van de vorming, groei en implosie van kleine belletjes in een vloeibaar medium dat wordt blootgesteld aan ultrageluidsgolven van hoge intensiteit. De implosie van deze belletjes genereert intense plaatselijke druk- en temperatuurgradiënten, waardoor hoge schuifkrachten, schokgolven en micro-jets kunnen ontstaan die grote deeltjes en agglomeraten kunnen afbreken in kleinere. De foto links toont ultrasone cavitatie die wordt gegenereerd aan de sonde van de ultrasoon UIP1000hdT (1000 watt) in een met vloeistof gevulde glazen kolom.
Bij emulsificatie en nano-emulsificatie speelt de intensiteit van de akoestische cavitatie een cruciale rol bij het verkleinen van de druppels in de emulsie. De implosieve ineenstorting van de cavitatiebellen kan sterke schuifkrachten veroorzaken die grotere druppels in kleinere doen uiteenvallen. Bovendien kunnen de door de cavitatie opgewekte lokale druk- en temperatuurgradiënten ook de vorming van nieuwe druppels bevorderen en de emulsie stabiliseren.
Het unieke aspect van akoestische cavitatie is het vermogen om lokale en intense energie in het vloeibare medium te brengen, zonder dat daarvoor hoge mechanische of thermische spanningen nodig zijn. Dit maakt het een aantrekkelijke techniek voor nano-emulsificatie, omdat het de voor het emulgeerproces vereiste energie-input kan verminderen en tegelijkertijd een kleinere druppelgrootte en smallere druppelgrootteverdeling kan bereiken.
Door deze nauwkeurig regelbare ultrasone krachten is akoestische cavitatie een krachtig instrument voor nano-emulsificatie. Het vermogen om lokale en intense energie-input te genereren maakt het mogelijk grotere druppels af te breken tot druppels van submicron- en nanogrootte met een zeer hoge efficiëntie.
Studies met olie in water (waterfase) en water in olie (oliefase) emulsies hebben de correlatie aangetoond tussen de energiedichtheid en druppelgrootte (bijv. Sauter-diameter). Er is een duidelijke tendens voor kleinere druppelgrootte bij toenemende energiedichtheid (klik op de rechter afbeelding). Bij de juiste energiedichtheid kan ultrageluid gemakkelijk en betrouwbaar gemiddelde druppelgrootten in het nanobereik bereiken.
Ultrasone sondes voor efficiënte emulsificatie
Hielscher biedt een breed scala aan ultrasoonapparaten en accessoires voor het efficiënt emulgeren en dispergeren van vloeistoffen in batch- en doorstroomtoepassingen.
Systemen met meerdere ultrasone processoren van elk tot 16.000 watt bieden de capaciteit die nodig is om deze laboratoriumtoepassing om te zetten in een efficiënte productiemethode voor het verkrijgen van fijn gedispergeerde emulsies in continue stroom of in een batch. – het bereiken van resultaten die vergelijkbaar zijn met die van de best verkrijgbare hogedruk-homogenisatoren van dit moment, zoals de nieuwe openingsklep. Naast deze hoge efficiëntie bij de continue emulgering, vereisen Hielscher ultrasone apparaten zeer weinig onderhoud en zijn ze zeer eenvoudig te bedienen en schoon te maken. De echografie ondersteunt daadwerkelijk het reinigen en spoelen. Het ultrasone vermogen is instelbaar en kan worden aangepast aan bepaalde producten en emulgeringseisen. Speciale flow-celreactoren die voldoen aan de geavanceerde CIP (clean-in-place) en SIP (sterilize-in-place) vereisten zijn ook beschikbaar.
De MultiSonoReactor MSR-4 is een industriële inline homogenisatiereactor die geschikt is voor (nano-)emulgeerprocessen met een hoge verwerkingscapaciteit.
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 00,5 tot 1,5 ml | na | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml / min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Definitie van de term “Emulsie”
Een emulsie is een mengsel van twee of meer onmengbare vloeistoffen, zoals olie en water.
Emulsies kunnen olie-in-water (waarbij oliedruppels in water worden gedispergeerd) of water-in-olie (waarbij waterdruppels in olie worden gedispergeerd) zijn. Emulsies worden gebruikt in tal van toepassingen, waaronder voedingsmiddelen (zoals saladedressings en mayonaise), cosmetica (zoals lotions en crèmes) en geneesmiddelen (zoals vaccins).
Een emulgator werkt door de oppervlaktespanning tussen de twee onmengbare stoffen (zoals olie en water) in een emulsie te verlagen. Dit vermindert de neiging van de twee stoffen om te scheiden en maakt het mogelijk dat ze een stabiel mengsel vormen.
Stabiliserende emulgatoren
In het algemeen moeten emulsies worden gestabiliseerd met behulp van een emulgator of oppervlakte-actieve stof. Emulgatoren zijn amfifiel - ze trekken zowel water als vetten aan. Dit betekent dat ze hydrofiele (waterminnende) en hydrofobe (olieminnende) eigenschappen hebben, waardoor ze een interactie aangaan met zowel de olie- als de waterfase van de emulsie. Het hydrofiele deel van de emulgormolecule hecht zich aan de watermoleculen, terwijl het hydrofobe deel zich hecht aan de oliemoleculen.
Door de oliedruppels te omringen met emulgormoleculen, creëert de emulgator een beschermende laag rond de druppels die voorkomt dat ze met elkaar in contact komen en samenklonteren tot grotere druppels. Hierdoor blijft de emulsie stabiel en wordt scheiding voorkomen.
Aangezien coalescentie van de druppels na verstoring de uiteindelijke druppelgrootteverdeling beïnvloedt, worden efficiënt stabiliserende emulgatoren gebruikt om de uiteindelijke druppelgrootteverdeling gelijk te houden aan de verdeling onmiddellijk na de druppelverstoring in de ultrasone dispergeerzone. Stabilisatoren leiden in feite tot een betere druppelverstoring bij een constante energiedichtheid.
Voorbeelden van vaak gebruikte emulgatoren zijn lecithine (die voorkomt in eierdooiers en sojabonen), mono- en diglyceriden, polysorbaat 80 en natriumstearoyllactylaat.
Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.