Emulgowanie za pomocą kawitacji ultradźwiękowej
Szeroka gama półproduktów i produktów konsumenckich – takich jak kosmetyki, balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby, środki smarne i paliwa – opiera się całkowicie lub częściowo na emulsjach.
Hielscher produkuje największe na świecie przemysłowe procesory ultradźwiękowe do cieczy, służące do wydajnego emulgowania strumieni o dużej objętości w zakładach produkcyjnych.
Jak działa emulgowanie ultradźwiękowe
Zastosowania laboratoryjne: W warunkach laboratoryjnych zdolność ultradźwięków do emulgowania jest znana i wykorzystywana od dawna ze względu na różnorodne korzyści związane z homogenizacją i emulgowaniem ultradźwiękowym.
Technologia
Niezawodne emulgowanie ultradźwiękowe opiera się na zastosowaniu sond ultradźwiękowych, znanych również jako sonotrody. Proces przebiega następująco:
- Sprzężenie energii ultradźwiękowej: Za pośrednictwem sondy ultradźwiękowej energia ultradźwięków o wysokiej intensywności jest sprzęgana z cieczą, wywołując kawitację akustyczną.
- Efekt kawitacji: Kawitacja ultradźwiękowa, czyli akustyczna, generuje duże siły ścinające, które dostarczają energii niezbędnej do rozbijania dużych kropli na krople o rozmiarach nanometrycznych.
- Tworzenie emulsji: Dwie lub więcej faz ciekłych miesza się, tworząc jednorodną emulsję submikronową lub nanoemulsję.
Zwiększanie skali do produkcji przemysłowej dzięki technologii przepływowej: Zastosowanie ultradźwiękowych komór przepływowych umożliwia liniowe zwiększanie skali do przemysłowej produkcji nanoemulsji poprzez przetwarzanie strumieni o dużej objętości w przepływie ciągłym.
Ultradźwiękowe przygotowanie klarownej nanoemulsji za pomocą sonikatora UP400ST.
Zalety emulgowania ultradźwiękowego
Emulgowanie ultradźwiękowe z użyciem sonikatora z sondą oferuje kilka zalet w porównaniu z innymi technikami emulgowania:
- Lepsza stabilność emulsji: Emulgowanie ultradźwiękowe zapewnia mniejsze rozmiary kropli i bardziej jednorodny rozkład kropli, co poprawia stabilność emulsji i wydłuża okres przydatności do użycia. Ultradźwięki dużej mocy umożliwiają niezawodne wytwarzanie kropli o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych.
- Efektywność energetyczna: Emulgowanie ultradźwiękowe wymaga mniej energii niż inne metody emulgowania, dzięki czemu jest procesem bardziej efektywnym energetycznie.
- Skalowalność: Skalę emulgowania ultradźwiękowego można łatwo zwiększać lub zmniejszać w zależności od wymaganej objętości, dzięki czemu jest to wszechstronny proces zarówno do zastosowań laboratoryjnych, jak i przemysłowych.
- Oszczędność czasu: Emulgowanie ultradźwiękowe może być bardzo szybkim procesem, w którym emulsje powstają w czasie od kilku sekund do kilku minut, w zależności od cieczy, objętości i wyposażenia.
- Mniejsze zapotrzebowanie na środki powierzchniowo czynne: Emulgowanie ultradźwiękowe może zmniejszyć zapotrzebowanie na środki powierzchniowo czynne, które często są niezbędne do stabilizacji emulsji. Jednak wraz ze zmniejszeniem rozmiaru kropli zwiększa się powierzchnia cząstki i większa powierzchnia musi zostać pokryta środkiem powierzchniowo czynnym. Sonikacja jest kompatybilna z niemal każdym rodzajem środka powierzchniowo czynnego, w tym z alternatywnymi i nowatorskimi emulgatorami.
- Minimalne i kontrolowane wytwarzanie ciepła: Emulgowanie ultradźwiękowe jest procesem nietermicznym, a wytwarzania ciepła podczas przetwarzania można uniknąć lub ograniczyć je do niewielkiego poziomu. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko degradacji termicznej wrażliwych związków lub składników.
Zalety emulgowania ultradźwiękowego z użyciem sonikatora z sondą sprawiają, że jest to doskonały wybór do emulgowania w różnych dziedzinach, w tym w produkcji żywności i napojów, farmaceutyków, kosmetyków, chemikaliów specjalistycznych i paliw.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym emulgowaniu majonezu!
Dowiedz się więcej o produkcji emulsji wosku parafinowego za pomocą sonikacji!
Dowiedz się więcej o emulsjach wody w oleju napędowym wytwarzanych za pomocą ultradźwięków!
Pomiar DLS pokazuje jednorodny rozkład wielkości kropli emulsji olejku różanego w wodzie wytworzonej za pomocą ultradźwięków.
Czym jest emulsja?Emulsje są dyspersjami dwóch lub więcej niemieszających się cieczy. Ultradźwięki o bardzo wysokiej intensywności dostarczają mocy potrzebnej do rozproszenia fazy ciekłej (fazy rozproszonej) w postaci małych kropli w drugiej fazie (fazie ciągłej). W strefie dyspergowania implodujące pęcherzyki kawitacyjne wywołują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i prowadzą do powstawania strug cieczy o dużej prędkości.
Nanoemulsje – potężne zastosowanie sonikatorów
Nanoemulsje to emulsje, w których rozmiar kropli wynosi zazwyczaj mniej niż 100 nanometrów. Nanoemulsje oferują kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi emulsjami, w tym wyjątkowe właściwości funkcjonalne, większą stabilność, przezroczystość itp.
Sonikacja przewyższa tradycyjne technologie emulgowania, szczególnie w przypadku tworzenia nanoemulsji. Wynika to z wysoce wydajnej zasady działania ultradźwięków, charakteryzującej się dużą intensywnością energii.
Poniższy film przedstawia proces emulgowania oleju (żółtego) w wodzie (czerwonej) za pomocą laboratoryjnego sonikatora UP400S.
Zasada działania emulgowania ultradźwiękowego
Kawitacja akustyczna: siła napędowa emulgowania ultradźwiękowego i nanoemulgowania
Emulgowanie ultradźwiękowe opiera się na silnych efektach kawitacji akustycznej – zjawiska występującego, gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności przechodzą przez ciecz. Podczas tego procesu mikroskopijne pęcherzyki powstają, rosną, a następnie gwałtownie się zapadają. Implozja tych pęcherzyków generuje ekstremalne warunki lokalne, w tym duże gradienty ciśnienia i temperatury, duże siły ścinające, fale uderzeniowe oraz mikrostrugi cieczy. Siły te skutecznie rozbijają duże cząstki, krople i aglomeraty na znacznie mniejsze struktury.
Zdjęcie po lewej przedstawia kawitację akustyczną generowaną przez procesor ultradźwiękowy UIP1000hdT (1000 W) pracujący w szklanej kolumnie wypełnionej cieczą.
Jak kawitacja akustyczna poprawia emulgowanie
Zarówno w emulgowaniu, jak i nanoemulgowaniu intensywność kawitacji jest kluczowym czynnikiem determinującym rozmiar kropli. Gdy pęcherzyki kawitacyjne się zapadają, powstające siły ścinające rozbijają większe krople na coraz mniejsze. Jednocześnie lokalne zmiany ciśnienia i temperatury sprzyjają tworzeniu nowych kropli, pomagając zarazem stabilizować emulsję.
Takie połączenie rozbijania kropli i stabilizacji pozwala technologii ultradźwiękowej wytwarzać wysoce jednorodne emulsje o rozkładach wielkości kropli obejmujących wyjątkowo małe rozmiary.
Rozkład wielkości kropli emulsji wody i oliwy z oliwek przygotowanych metodą (a) klasycznej homogenizacji oraz (b) homogenizacji ultradźwiękowej (z użyciem UP400S), z MD, WPI i ich mieszaniną, o zawartości 40% suchej masy i 9% oleju (w/w). Emulgowanie ultradźwiękowe zapewnia znacznie mniejsze krople, mniejsze śmietankowanie i lepszą ogólną stabilność emulsji.
(badanie i wykresy: Zungur et al., 2015)
Sondy ultradźwiękowe do wydajnego emulgowania
Hielscher oferuje szeroką gamę sonikatorów z sondą i akcesoriów do wydajnego emulgowania oraz dyspergowania cieczy w trybie okresowym i przepływowym.
Systemy składające się z kilku procesorów ultradźwiękowych o mocy do 16 000 watów każdy zapewniają wydajność niezbędną do przekształcenia tego zastosowania laboratoryjnego w wydajną metodę produkcji drobno zdyspergowanych emulsji w przepływie ciągłym lub w trybie okresowym – osiągając wyniki porównywalne z wynikami najlepszych dostępnych obecnie homogenizatorów wysokociśnieniowych, takich jak nowy zawór kryzowy. Oprócz tej wysokiej wydajności w emulgowaniu ciągłym urządzenia ultradźwiękowe Hielscher wymagają bardzo niewielkiej konserwacji i są bardzo łatwe w obsłudze oraz czyszczeniu. Ultradźwięki rzeczywiście wspomagają czyszczenie i płukanie. Moc ultradźwięków jest regulowana i można ją dostosować do konkretnych produktów oraz wymagań dotyczących emulgowania. Dostępne są również specjalne reaktory z komorą przepływową spełniające zaawansowane wymagania CIP (czyszczenie na miejscu) i SIP (sterylizacja na miejscu).
MultiSonoReactor MSR-4 to przemysłowy reaktor do homogenizacji w linii procesowej, odpowiedni do procesów emulgowania i nanoemulgowania o dużej wydajności.
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | nie dotyczy | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| nie dotyczy | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator to wydajne akcesorium kompatybilne z ultradźwiękowymi reaktorami Hielscher z komorą przepływową: przy użyciu wkładu MPC48 faza rozproszona jest wtryskiwana przez 48 kaniul w postaci cienkich strug cieczy do gorącej strefy ultradźwiękowej, gdzie faza rozproszona i faza ciągła są mieszane w postaci drobniutkich kropli, tworząc nanoemulsję.
Odkryj, jak MultiPhaseCavitator poprawia emulgowanie!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Źródła
- 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
Warto wiedzieć
Definicja terminu „emulsja”
Emulsja jest mieszaniną dwóch lub więcej niemieszających się cieczy, takich jak olej i woda.
Emulsje mogą być typu olej w wodzie (gdy krople oleju są rozproszone w wodzie) lub woda w oleju (gdy krople wody są rozproszone w oleju). Emulsje stosuje się w różnych zastosowaniach, w tym w produktach spożywczych (takich jak sosy sałatkowe i majonez), kosmetykach (takich jak balsamy i kremy) oraz farmaceutykach (takich jak szczepionki).
Emulgator działa poprzez zmniejszanie napięcia powierzchniowego między dwiema niemieszającymi się substancjami (takimi jak olej i woda) w emulsji. Zmniejsza to tendencję tych dwóch substancji do rozdzielania się i pozwala im tworzyć stabilną mieszaninę.
Jak zapewnić stabilność emulsji?
Stabilność emulsji zapewnia się poprzez zapobieganie koalescencji fazy rozproszonej (kropli jednej cieczy) i jej oddzielaniu się od fazy ciągłej (otaczającej cieczy). Aby uzyskać stabilność emulsji, należy uwzględnić kilka kluczowych kwestii:
- Emulgatory (środki powierzchniowo czynne):
– Rola: Emulgatory to cząsteczki mające zarówno końce hydrofilowe (przyciągające wodę), jak i hydrofobowe (odpychające wodę).
– Działanie: Zmniejszają napięcie powierzchniowe między dwiema niemieszającymi się cieczami i tworzą warstwę ochronną wokół kropli, zapobiegając ich koalescencji.
– Przykłady: Lecytyna, polisorbaty i stearoilomleczan sodu. - Metody mechaniczne:
Mieszanie o wysokiej wydajności: Stosowanie mieszadeł o dużej intensywności ścinania lub homogenizatorów do rozbijania kropli na mniejsze, co zwiększa powierzchnię i poprawia stabilność. Zastosowanie sonikatorów z sondą jest doskonałą i bardzo niezawodną metodą wykorzystującą sonomechaniczne siły ścinające. Te ultradźwiękowe siły ścinające rozbijają duże krople na drobniutkie krople i mieszają niemieszające się fazy, tworząc stabilną emulsję. - Modyfikatory lepkości:
Zagęstniki: Zwiększenie lepkości fazy ciągłej może spowolnić ruch kropli, zmniejszając prawdopodobieństwo koalescencji.
– Przykłady: Guma ksantanowa, guma guar i karboksymetyloceluloza. - Środki stabilizujące:
– Polimery: Polimery mogą zapewniać stabilizację steryczną poprzez tworzenie grubej warstwy wokół kropli.
– Przykłady: Pektyna, żelatyna i niektóre białka. - Stabilizacja elektrostatyczna:
– Ładunek: Niektóre emulgatory nadają powierzchni kropli ładunek elektryczny, powodując ich wzajemne odpychanie, a tym samym ograniczając koalescencję.
– Przykłady: Kazeinian sodu i lecytyna sojowa. - Kontrola temperatury:
– Chłodzenie: Obniżenie temperatury może zwiększyć lepkość fazy ciągłej i zmniejszyć energię kinetyczną kropli, zapobiegając koalescencji.
– Zapobieganie rozdzielaniu faz: Zapewnienie utrzymania temperatury w zakresie zapobiegającym rozdzielaniu się składników. - Dodatki:
– Przeciwutleniacze: Zapobieganie utlenianiu może pomóc zachować integralność emulgatora i innych składników.
– Środki chelatujące: Wiązanie jonów metali, które w przeciwnym razie mogłyby destabilizować emulsję.
Stosując odpowiednią technikę emulgowania, można uzyskać stabilne emulsje, zapewniając, że mieszanina pozostanie jednorodna i zachowa pożądane właściwości z upływem czasu.
Emulgatory stabilizujące
Na ogół emulsje wymagają stabilizacji przy użyciu środka emulgującego lub środka powierzchniowo czynnego. Emulgatory są amfifilowe – przyciągają zarówno wodę, jak i substancje tłuszczowe. Oznacza to, że mają właściwości hydrofilowe (wykazujące powinowactwo do wody) i hydrofobowe (wykazujące powinowactwo do oleju), co pozwala im oddziaływać zarówno z fazą olejową, jak i wodną emulsji. Hydrofilowa część cząsteczki emulgatora przyłącza się do cząsteczek wody, natomiast część hydrofobowa przyłącza się do cząsteczek oleju.
Otaczając krople oleju cząsteczkami emulgatora, emulgator tworzy wokół kropli warstwę ochronną, która zapobiega ich wzajemnemu kontaktowi i koalescencji (łączeniu się) prowadzącej do powstawania większych kropli. Pomaga to utrzymać stabilność emulsji i zapobiega rozdzielaniu się faz.
Ponieważ koalescencja kropli po ich rozbiciu wpływa na końcowy rozkład wielkości kropli, stosuje się skutecznie stabilizujące emulgatory, aby utrzymać końcowy rozkład wielkości kropli na poziomie odpowiadającym rozkładowi bezpośrednio po rozbiciu kropli w ultradźwiękowej strefie dyspergowania. Stabilizatory rzeczywiście poprawiają rozbijanie kropli przy stałej gęstości energii.
Przykłady powszechnie stosowanych emulgatorów obejmują lecytynę (występującą w żółtkach jaj i soi), mono- i diglicerydy, polisorbat 80 oraz stearoilomleczan sodu.
Miniemulsje, które można wydajnie wytwarzać za pomocą sonikacji, usprawniają reakcje chemiczne. Polimeryzacja makroemulsji (a) w porównaniu z polimeryzacją miniemulsji (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od skali laboratoryjnej po skalę przemysłową.