Emulgeren door ultrasone cavitatie
Een breed assortiment aan tussenproducten en consumentenproducten – zoals cosmetica, huidlotions, farmaceutische zalven, lakken, verven, smeermiddelen en brandstoffen – geheel of gedeeltelijk op emulsies zijn gebaseerd.
Hielscher produceert ’s werelds grootste industriële ultrasone vloeistofverwerkers voor het efficiënt emulgeren van grote vloeistofstromen in productiefabrieken.
Hoe ultrasone emulgering werkt
Toepassingen in laboratoria: In laboratoriumomgevingen is het emulgerend vermogen van ultrasone golven al geruime tijd bekend en wordt het al geruime tijd toegepast vanwege de diverse voordelen die gepaard gaan met ultrasone homogenisatie en emulgering.
De technologie
Betrouwbare ultrasone emulgering is gebaseerd op het gebruik van ultrasone sondes, ook wel sonotrodes genoemd. Het proces werkt als volgt:
- Echografische koppeling: Via de ultrasone sonde wordt ultrasoon geluid met hoge intensiteit in vloeistoffen gekoppeld, waardoor akoestische cavitatie ontstaat.
- Cavitatie-effect: Ultrasone of akoestische cavitatie genereert hoge schuifkrachten, die de benodigde energie leveren om grote druppels te verkleinen tot druppels van nanogrootte.
- Vorming van een emulsie: Twee of meer vloeibare fasen worden gemengd tot een homogene submicron- of nano-emulsie.
Opschaling op industriële schaal via doorstroomtechnologie: Door gebruik te maken van ultrasone doorstroomcellen is een lineaire opschaling naar industriële productie van nano-emulsies mogelijk, waarbij grote volumes in een continu doorstroomsysteem worden verwerkt.
Ultrasone bereiding van een heldere nano-emulsie met behulp van de UP400ST-ultrasone apparatuur.
De voordelen van ultrasone emulgering
Ultrasone emulsificatie met behulp van een ultrasone sonde biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere emulgeertechnieken:
- Verbeterde emulsiestabiliteit: Ultrasone emulsificatie creëert kleinere druppeltjes en een meer uniforme druppelverdeling, wat resulteert in een verbeterde stabiliteit van de emulsie en een langere houdbaarheid. Submicron- en nanodruppels kunnen betrouwbaar worden geproduceerd met ultrageluid.
- Energie-efficiëntie: Ultrasone emulsificatie vereist minder energie dan andere emulsificatiemethoden, waardoor het een energiezuiniger proces is.
- Schaalbaarheid: Ultrasoon emulgeren kan eenvoudig op- of afgeschaald worden, 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 oppervlakteactieve stoffen nodig: Ultrasone emulsificatie kan de behoefte aan oppervlakteactieve stoffen verminderen, die vaak nodig zijn om emulsies te stabiliseren. Met een kleinere druppelgrootte wordt het oppervlak van het deeltje echter groter en moet er meer oppervlakte bedekt worden door een oppervlakteactieve stof. Ultrasoonbehandeling is compatibel met bijna elke soort oppervlakteactieve stof, inclusief alternatieve en nieuwe emulgatoren.
- Minimale en beheersbare warmteontwikkeling: Ultrasone emulgering is een niet-thermisch proces en warmteontwikkeling tijdens de verwerking kan worden vermeden of in geringe mate worden beperkt. Daardoor wordt het risico op thermische degradatie van gevoelige verbindingen of ingrediënten verkleind.
De voordelen van ultrasone emulsificatie met een ultrasone sonde maken het een uitstekende keuze voor emulsificatie op verschillende gebieden, waaronder voeding en dranken, farmaceutica, cosmetica, fijnchemicaliën en brandstoffen.
Lees meer over ultrasone mayonaise emulgeren!
Lees meer over de productie van paraffinewasemulsies met behulp van sonicatie!
Lees meer over Water-in-dieselemulsies geproduceerd met ultrasoon geluid!
De DLS-meting toont de gelijkmatige druppelgrootteverdeling van een met behulp van ultrasone trillingen geproduceerde rozenolie-in-water-emulsie.
Wat is een emulsie?Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeistoffen. Zeer intensief ultrageluid levert het vermogen dat nodig is om een vloeibare fase (gedispergeerde fase) te dispergeren in kleine druppeltjes in een tweede fase (continue fase). In de dispergerende zone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intensieve schokgolven in de omringende vloeistof en resulteren ze in de vorming van vloeistofstralen met een hoge vloeistofsnelheid.
Nano-emulsies – De krachttoepassing voor ultrasone apparaten
Nano-emulsies zijn emulsies met druppels die meestal kleiner zijn dan 100 nanometer. Nano-emulsies bieden verschillende voordelen ten opzichte van conventionele emulsies, zoals unieke functionele eigenschappen, hogere stabiliteit, transparantie, enz.
Ultrasoon geluid overtreft traditionele emulgeringstechnologieën, vooral als het gaat om de vorming van nano-emulsies. Dit komt door het zeer efficiënte en energie-intense werkingsprincipe van ultrasoon geluid.
De video hieronder toont het emulgeerproces van olie (geel) in water (rood) met behulp van de UP400S laboratorium ultrasoon.
Werkingsprincipe van ultrasone emulsificatie
Akoestische cavitatie: de drijvende kracht achter ultrasone emulgering en nano-emulgering
Ultrasone emulgering is gebaseerd op de krachtige effecten van akoestische cavitatie, een verschijnsel dat optreedt wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit door een vloeistof gaan. Tijdens dit proces vormen zich microscopisch kleine belletjes, die groeien en vervolgens met grote kracht uiteenspatten. De implosieve instorting van deze belletjes genereert extreme lokale omstandigheden, waaronder intense druk- en temperatuurgradiënten, hoge schuifkrachten, schokgolven en vloeibare microstralen. Deze krachten breken grote deeltjes, druppels en agglomeraten effectief af tot veel kleinere structuren.
De afbeelding links toont akoestische cavitatie die wordt gegenereerd door de UIP1000hdT ultrasone processor (1000 W) tijdens het gebruik in een met vloeistof gevulde glazen kolom.
Hoe akoestische cavitatie de emulgering verbetert
Zowel bij emulgering als bij nano-emulgering is de intensiteit van de cavitatie een cruciale factor voor de grootte van de druppels. Wanneer cavitatiebellen instorten, zorgen de daaruit voortvloeiende schuifkrachten ervoor dat grotere druppels in steeds kleinere druppels uiteenvallen. Tegelijkertijd bevorderen de plaatselijke druk- en temperatuurveranderingen de vorming van nieuwe druppels en dragen ze bij aan de stabiliteit van de emulsie.
Door deze combinatie van druppelverstoring en -stabilisatie kan met ultrasone technologie uiterst homogene emulsies worden geproduceerd met een uitzonderlijk fijne druppelgrootteverdeling.
Druppelgrootteverdeling van water-olijfolie-emulsies bereid door middel van (a) de klassieke homogenisatiemethode en (b) ultrasone homogenisatie (met behulp van de UP400S) met MD, WPI en een mengsel daarvan, met een drogestofgehalte van 40% en een oliegehalte van 9% (gew./gew.). Ultrasone emulgering leidt tot aanzienlijk kleinere druppels, minder afscheiding en een betere algehele emulsiestabiliteit.
(studie en grafieken: Zungur et al., 2015)
Ultrasone sondes voor efficiënte emulsificatie
Hielscher biedt een breed scala aan ultrasone sondes en accessoires voor het efficiënt emulgeren en dispergeren van vloeistoffen in batch- en doorstroommodus.
Systemen bestaande uit meerdere ultrasone processoren van elk tot 16.000 watt bieden de capaciteit die nodig is om deze laboratoriumtoepassing te vertalen naar een efficiënte productiemethode om fijn gedispergeerde emulsies te verkrijgen in een continue stroom of in een batch. – resultaten te bereiken die vergelijkbaar zijn met die van de beste hogedrukhomogenisatoren die momenteel verkrijgbaar zijn, zoals het nieuwe orifice valve. Naast deze hoge efficiëntie in de continue emulgering vereisen Hielscher ultrasone apparaten zeer weinig onderhoud en zijn ze zeer eenvoudig te bedienen en te reinigen. Het ultrasone geluid ondersteunt namelijk het reinigen en spoelen. Het ultrasone vermogen is instelbaar en kan worden aangepast aan specifieke producten en emulsificatievereisten. Er zijn ook speciale doorstroomcelreactoren verkrijgbaar die voldoen aan de geavanceerde CIP (clean-in-place) en SIP (sterilize-in-place) vereisten.
De MultiSonoReactor MSR-4 is een industriële inline homogenisatiereactor die geschikt is voor (nano-)emulgeerprocessen met een hoge verwerkingscapaciteit.
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
De MultiPhaseCavitator is een krachtig hulpstuk dat compatibel is met de ultrasone doorstroomreactoren van Hielscher: met behulp van het inzetstuk MPC48 wordt de gedispergeerde fase via 48 canules als dunne vloeistofstrengen in de ultrasone warmtezone geïnjecteerd, waar de gedispergeerde fase en de continue fase als minuscule druppeltjes tot een nano-emulsie worden gemengd.
Ontdek hoe de MultiPhaseCavitator de emulgering verbetert!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren 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.
- 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
Wetenswaardigheden
Definitie van de term “emulsie”
Een emulsie is een mengsel van twee of meer niet-mengbare vloeistoffen, zoals olie en water.
Emulsies kunnen olie-in-water (waarbij oliedruppels gedispergeerd zijn in water) of water-in-olie (waarbij waterdruppels gedispergeerd zijn in olie) zijn. Emulsies worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder voedingsmiddelen (zoals saladedressings en mayonaise), cosmetica (zoals lotions en crèmes) en geneesmiddelen (zoals vaccins).
Een emulgator verlaagt de oppervlaktespanning tussen de twee onmengbare stoffen (zoals olie en water) in een emulsie. Dit vermindert de neiging van de twee stoffen om te scheiden en zorgt ervoor dat ze een stabiel mengsel kunnen vormen.
Hoe wordt een emulsie stabiel gemaakt?
Een emulsie wordt stabiel gemaakt door te voorkomen dat de gedispergeerde fase (druppels van één vloeistof) samenklontert en zich scheidt van de continue fase (de omringende vloeistof). Om stabiliteit in emulsies te bereiken, moet met verschillende belangrijke punten rekening worden gehouden:
- Emulgatoren (oppervlakteactieve stoffen):
– Rol: Emulgatoren zijn moleculen die zowel hydrofiele (wateraantrekkende) als hydrofobe (waterafstotende) uiteinden hebben.
– Actie: Ze verlagen de oppervlaktespanning tussen de twee niet-mengbare vloeistoffen en vormen een beschermende laag rond de druppels, waardoor ze niet samenklonteren.
– Voorbeelden: Lecithine, polysorbaten en natriumstearoyllactylaat. - Mechanische methoden:
Krachtig mengen: Het gebruik van mixers of homogenisatoren met hoge afschuiving om de druppels in kleinere afmetingen te verdelen, waardoor het oppervlak toeneemt en de stabiliteit verbetert. Sonicators van het sonde-type zijn een uitstekende en zeer betrouwbare methode die gebruik maakt van sonomechanische schuifkrachten. Deze ultrasone schuifkrachten breken grote druppels in minuscule druppels en mengen de onmengbare fasen tot een stabiele emulsie. - Viscositeitsmodificatoren:
Verdikkingsmiddelen: Het verhogen van de viscositeit van de continue fase kan de beweging van druppels vertragen, waardoor de kans op coalescentie afneemt.
– Voorbeelden: Xanthaangom, guarpitmeel en carboxymethylcellulose. - Stabiliserende middelen:
– Polymeren: Polymeren kunnen zorgen voor sterische stabilisatie door een dikke laag rond druppels te vormen.
– Voorbeelden: Pectine, gelatine en bepaalde eiwitten. - Elektrostatische stabilisatie:
– Opladen: Sommige emulgatoren geven een elektrische lading aan het oppervlak van druppels, waardoor ze elkaar afstoten en dus minder snel coalescentie veroorzaken.
– Voorbeelden: Natriumcaseïnaat en sojalecithine. - Temperatuurregeling:
– Koeling: Het verlagen van de temperatuur kan de viscositeit van de continue fase verhogen en de kinetische energie van de druppels verlagen, waardoor coalescentie wordt voorkomen.
– Fasescheiding vermijden: Ervoor zorgen dat de temperatuur binnen een bereik blijft dat voorkomt dat de componenten van elkaar scheiden. - Toevoegingen:
– Antioxidanten: Het voorkomen van oxidatie kan helpen om de integriteit van de emulgator en andere componenten te behouden.
– Chelaatvormers: Het binden van metaalionen die anders de emulsie zouden kunnen destabiliseren.
Door de juiste emulsietechniek toe te passen, kunnen emulsies stabiel worden gemaakt, zodat het mengsel homogeen blijft en na verloop van tijd de gewenste eigenschappen behoudt.
Stabiliserende emulgatoren
Over het algemeen moeten emulsies gestabiliseerd worden met behulp van een emulgator of oppervlakteactieve stof. Emulgatoren zijn amfifiel - ze trekken zowel water als vettige stoffen aan. Dit betekent dat ze hydrofiele (waterminnende) en hydrofobe (olieminnende) eigenschappen hebben, waardoor ze kunnen interageren 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 de verstoring de uiteindelijke druppelgrootteverdeling beïnvloedt, worden efficiënt stabiliserende emulgatoren gebruikt om de uiteindelijke druppelgrootteverdeling op een niveau te houden dat gelijk is aan de verdeling onmiddellijk na de druppelverstoring in de ultrasone dispergeerzone. Stabilisatoren leiden in feite tot een betere druppelverdeling bij een constante energiedichtheid.
Voorbeelden van veelgebruikte emulgatoren zijn lecithine (dat voorkomt in eigeel en sojabonen), mono- en diglyceriden, polysorbaat 80 en natriumstearoyllactylaat.
Miniemulsies, die efficiënt kunnen worden gecreëerd door ultrasoonbehandeling, verbeteren chemische reacties. Macro-emulsie polymerisatie (a) versus mini-emulsie polymerisatie (b) [Schork et al. 2005: 136].
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.