Emulgeren door ultrasone cavitatie
Een breed scala aan tussenproducten en consumentenproducten – zoals cosmetica, huidlotions, farmaceutische zalven, vernissen, verven, smeermiddelen en brandstoffen – is geheel of gedeeltelijk gebaseerd op emulsies.
Hielscher produceert ’s werelds grootste industriële ultrasone vloeistofprocessoren voor het efficiënt emulgeren van grote volumestromen in productie-installaties.
Hoe ultrasone emulsificatie werkt
Laboratoriumtoepassingen: In laboratoria is het emulgerende vermogen van ultrasoon geluid al lange tijd bekend en wordt het toegepast vanwege de verschillende voordelen van ultrasone homogenisatie en emulsificatie.
De technologie
Betrouwbare ultrasone emulsificatie is gebaseerd op het gebruik van ultrasone sondes, ook wel sonotroden genoemd. Het proces verloopt als volgt:
- Koppeling van ultrasoon geluid: 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 afschuifkrachten, die de benodigde energie leveren om grote druppels op te breken tot druppels van nanogrootte.
- Emulsievorming: Twee of meer vloeistoffasen worden gemengd tot een uniforme submicron- of nano-emulsie.
Industriële opschaling via doorstroomtechnologie: Het gebruik van ultrasone doorstroomcellen maakt lineaire opschaling naar de industriële productie van nano-emulsies mogelijk, waarbij grote volumestromen continu worden verwerkt.
Ultrasone bereiding van een heldere nano-emulsie met de UP400ST ultrasone sonicator.
De voordelen van ultrasone emulsificatie
Ultrasone emulsificatie met een ultrasone sonicator met sonde biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere emulgeertechnieken:
- Verbeterde emulsiestabiliteit: Ultrasone emulsificatie zorgt voor kleinere druppels en een uniformere druppelverdeling, wat resulteert in een verbeterde emulsiestabiliteit en een langere houdbaarheid. Druppels van submicron- en nanogrootte kunnen betrouwbaar worden geproduceerd met krachtig ultrasoon geluid.
- Energie-efficiëntie: Ultrasone emulsificatie vereist minder energie dan andere emulsificatiemethoden, waardoor het een energie-efficiënter proces is.
- Schaalbaarheid: Ultrasone emulsificatie kan eenvoudig worden op- of afgeschaald afhankelijk van het vereiste volume, waardoor het een veelzijdig proces is voor zowel laboratorium- als industriële toepassingen.
- Tijdbesparing: Ultrasone emulsificatie kan een zeer snel proces zijn, waarbij emulsies binnen seconden tot minuten worden gevormd, afhankelijk van de vloeistoffen, het volume en de apparatuur.
- Verminderde behoefte aan oppervlakteactieve stoffen: Ultrasone emulsificatie kan de behoefte aan oppervlakteactieve stoffen verminderen, die vaak nodig zijn om emulsies te stabiliseren. Bij een kleinere druppelgrootte neemt het oppervlak van het deeltje echter toe en moet een groter oppervlak door een oppervlakteactieve stof worden bedekt. Sonicatie is compatibel met vrijwel elk type oppervlakteactieve stof, waaronder alternatieve en nieuwe emulgatoren.
- Minimale en beheersbare warmteontwikkeling: Ultrasone emulsificatie is een niet-thermisch proces en warmteontwikkeling tijdens de verwerking kan worden vermeden of in geringe mate worden verminderd. Daardoor wordt het risico op thermische afbraak van gevoelige verbindingen of ingrediënten verminderd.
De voordelen van ultrasone emulsificatie met een ultrasone sonicator met sonde maken het een uitstekende keuze voor emulsificatie in uiteenlopende sectoren, waaronder voedingsmiddelen en dranken, farmaceutica, cosmetica, fijnchemicaliën en brandstoffen.
Lees meer over ultrasone emulsificatie van mayonaise!
Lees meer over de productie van paraffinewasemulsies met sonicatie!
Lees meer over water-in-dieselemulsies die met ultrasoon geluid worden geproduceerd!
De DLS-meting toont de uniforme druppelgrootteverdeling van een ultrasoon geproduceerde rozenolie-in-wateremulsie.
Wat is een emulsie?Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeistoffen. Ultrasoon geluid met zeer hoge intensiteit levert het vermogen dat nodig is om een vloeistoffase (gedispergeerde fase) in kleine druppels in een tweede fase (continue fase) te dispergeren. In de dispergeerzone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intense schokgolven in de omringende vloeistof en leiden ze tot de vorming van vloeistofstralen met een hoge vloeistofsnelheid.
Nano-emulsies – de krachtige toepassing voor sonicators
Nano-emulsies zijn emulsies met druppels die doorgaans kleiner zijn dan 100 nanometer. Nano-emulsies bieden verschillende voordelen ten opzichte van conventionele emulsies, waaronder unieke functionele eigenschappen, hogere stabiliteit, transparantie enz.
Sonicatie presteert beter dan traditionele emulsificatietechnologieën, vooral als het gaat om de vorming van nano-emulsies. Dit komt door het zeer efficiënte en energie-intensieve werkingsprincipe van ultrasoon geluid.
De onderstaande video toont het emulsificatieproces van olie (geel) in water (rood) met de UP400S ultrasone laboratoriumsonicator.
Werkingsprincipe van ultrasone emulsificatie
Akoestische cavitatie: de drijvende kracht achter ultrasone emulsificatie en nano-emulsificatie
Ultrasone emulsificatie berust op de krachtige effecten van akoestische cavitatie, een verschijnsel dat optreedt wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit door een vloeistof gaan. Tijdens dit proces ontstaan microscopische bellen, die groeien en vervolgens heftig instorten. De implosieve instorting van deze bellen genereert extreme lokale omstandigheden, waaronder intense druk- en temperatuurgradiënten, hoge afschuifkrachten, schokgolven en vloeistofmicrostralen. Deze krachten breken grote deeltjes, druppels en agglomeraten effectief op tot veel kleinere structuren.
De afbeelding links toont akoestische cavitatie die wordt gegenereerd door de UIP1000hdT ultrasone processor (1000 W), die in een met vloeistof gevulde glazen kolom werkt.
Hoe akoestische cavitatie de emulsificatie verbetert
Bij zowel emulsificatie als nano-emulsificatie is de cavitatie-intensiteit een belangrijke factor bij het bepalen van de druppelgrootte. Wanneer cavitatiebellen instorten, breken de resulterende afschuifkrachten grotere druppels op tot steeds kleinere druppels. Tegelijkertijd bevorderen de lokale druk- en temperatuurveranderingen de vorming van nieuwe druppels en helpen ze de emulsie te stabiliseren.
Deze combinatie van druppelopbreking en stabilisatie stelt ultrasone technologie in staat om zeer uniforme emulsies met uitzonderlijk fijne druppelgrootteverdelingen te produceren.
Druppelgrootteverdeling van water-olijfolie-emulsies bereid met (a) de klassieke homogenisatiemethode (b) de ultrasone homogenisatiemethode (met de UP400S) met MD, WPI en hun mengsel, met 40% droge stof en een oliegehalte van 9% (w/w). Ultrasone emulsificatie resulteert in aanzienlijk kleinere druppels, minder oproming en een betere algehele emulsiestabiliteit.
(onderzoek en grafieken: Zungur et al., 2015)
Ultrasone sondes voor efficiënte emulsificatie
Hielscher biedt een breed assortiment ultrasone sonicators met sonde en accessoires voor het efficiënt emulgeren en dispergeren van vloeistoffen in batch- en doorstroombedrijf.
Systemen die bestaan uit meerdere ultrasone processoren van elk maximaal 16.000 watt bieden de capaciteit die nodig is om deze laboratoriumtoepassing om te zetten in een efficiënte productiemethode om fijn gedispergeerde emulsies te verkrijgen in een continue stroom of in een batch – met resultaten die vergelijkbaar zijn met die van de beste hogedrukhomogenisatoren die momenteel beschikbaar zijn, zoals de nieuwe orifice-klep. Naast deze hoge efficiëntie bij continue emulsificatie vereisen de ultrasone apparaten van Hielscher zeer weinig onderhoud en zijn ze zeer eenvoudig te bedienen en te reinigen. Het ultrasone geluid ondersteunt daadwerkelijk het reinigen en spoelen. Het ultrasone vermogen is instelbaar en kan worden aangepast aan specifieke producten en emulsificatievereisten. Er zijn ook speciale doorstroomcelreactoren beschikbaar die voldoen aan de geavanceerde CIP-vereisten (clean-in-place, reinigen op de plaats van gebruik) en SIP-vereisten (sterilize-in-place, steriliseren op de plaats van gebruik).
De MultiSonoReactor MSR-4 is een industriële inline-homogenisatiereactor die geschikt is voor (nano-)emulsificatieprocessen met een hoge verwerkingscapaciteit.
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0,5 tot 1,5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
De MultiPhaseCavitator is een krachtig accessoire dat compatibel is met de ultrasone doorstroomcelreactoren van Hielscher: met het inzetstuk MPC48 wordt de gedispergeerde fase via 48 canules als dunne vloeistofstrengen in de ultrasone hete zone geïnjecteerd, waar de gedispergeerde fase en de continue fase als zeer kleine druppels tot een nano-emulsie worden gemengd.
Ontdek hoe de MultiPhaseCavitator de emulsificatie verbetert!
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties 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.
- 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 zijn (waarbij oliedruppels in water zijn gedispergeerd) of water-in-olie (waarbij waterdruppels in olie zijn gedispergeerd). Emulsies worden gebruikt in uiteenlopende toepassingen, waaronder voedingsmiddelen (zoals saladedressings en mayonaise), cosmetica (zoals lotions en crèmes) en farmaceutica (zoals vaccins).
Een emulgator werkt door de oppervlaktespanning tussen de twee niet-mengbare stoffen (zoals olie en water) in een emulsie te verlagen. Dit vermindert de neiging van de twee stoffen om zich te scheiden en stelt ze in staat een stabiel mengsel te vormen.
Hoe wordt een emulsie stabiel gemaakt?
Een emulsie wordt stabiel gemaakt door te voorkomen dat de gedispergeerde fase (druppels van één vloeistof) samenvloeit en zich afscheidt van de continue fase (de omringende vloeistof). Om stabiliteit in emulsies te bereiken, moet rekening worden gehouden met verschillende belangrijke punten:
- Emulgatoren (oppervlakteactieve stoffen):
– Rol: Emulgatoren zijn moleculen die zowel hydrofiele (wateraantrekkende) als hydrofobe (waterafstotende) uiteinden hebben.
– Werking: Ze verlagen de oppervlaktespanning tussen de twee niet-mengbare vloeistoffen en vormen een beschermende laag rond de druppels, waardoor wordt voorkomen dat deze samenvloeien.
– Voorbeelden: Lecithine, polysorbaten en natriumstearoyllactylaat. - Mechanische methoden:
Mengen met hoge prestaties: Het gebruik van mengers of homogenisatoren met hoge afschuiving om de druppels op te breken tot kleinere druppels, waardoor het oppervlak toeneemt en de stabiliteit verbetert. Sonicators met sonde vormen een uitstekende en zeer betrouwbare methode die gebruikmaakt van sonomechanische afschuifkrachten. Deze ultrasone afschuifkrachten breken grote druppels op tot zeer kleine druppels en mengen de niet-mengbare 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, guargom en carboxymethylcellulose. - Stabilisatoren:
– Polymeren: Polymeren kunnen sterische stabilisatie bieden door een dikke laag rond druppels te vormen.
– Voorbeelden: Pectine, gelatine en bepaalde eiwitten. - Elektrostatische stabilisatie:
– Lading: Sommige emulgatoren geven het oppervlak van druppels een elektrische lading, waardoor ze elkaar afstoten en coalescentie wordt verminderd.
– 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 verminderen, waardoor coalescentie wordt voorkomen.
– Fasescheiding vermijden: Ervoor zorgen dat de temperatuur binnen een bereik blijft dat voorkomt dat de componenten zich scheiden. - Additieven:
– Antioxidanten: Het voorkomen van oxidatie kan helpen de integriteit van de emulgator en andere componenten te behouden.
– Chelaatvormers: Het binden van metaalionen die de emulsie anders zouden kunnen destabiliseren.
Door de juiste emulsificatietechniek toe te passen, kunnen emulsies stabiel worden gemaakt, zodat het mengsel homogeen blijft en zijn gewenste eigenschappen in de loop van de tijd behoudt.
Stabiliserende emulgatoren
In het algemeen vereisen emulsies stabilisatie met een emulgeermiddel of oppervlakteactieve stof. Emulgatoren zijn amfifiel – ze trekken zowel water als vetachtige stoffen aan. Dit betekent dat ze hydrofiele (waterminnende) en hydrofobe (olieminnende) eigenschappen hebben, waardoor ze met zowel de olie- als de waterfase van de emulsie kunnen interageren. Het hydrofiele deel van het emulgatormolecuul hecht zich aan de watermoleculen, terwijl het hydrofobe deel zich aan de oliemoleculen hecht.
Door de oliedruppels met emulgatormoleculen te omringen, creëert de emulgator een beschermende laag rond de druppels die voorkomt dat ze met elkaar in contact komen en samenvloeien (zich samenvoegen) tot grotere druppels. Dit helpt de emulsie stabiel te houden en voorkomt scheiding.
Omdat coalescentie van de druppels na het opbreken de uiteindelijke druppelgrootteverdeling beïnvloedt, worden efficiënt stabiliserende emulgatoren gebruikt om de uiteindelijke druppelgrootteverdeling op een niveau te houden dat gelijk is aan de verdeling direct na het opbreken van de druppels in de ultrasone dispergeerzone. Stabilisatoren leiden daadwerkelijk tot een verbeterde druppelopbreking bij een constante energiedichtheid.
Voorbeelden van veelgebruikte emulgatoren zijn lecithine (die voorkomt in eidooiers en sojabonen), mono- en diglyceriden, polysorbaat 80 en natriumstearoyllactylaat.
Mini-emulsies, die efficiënt met sonicatie kunnen worden gemaakt, bevorderen chemische reacties. Macro-emulsiepolymerisatie (a) versus mini-emulsiepolymerisatie (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.