Szerokie spektrum półproduktów i produktów konsumpcyjnych, takich jak kosmetyki i balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby i smary oraz paliwa, opiera się w całości lub częściowo na emulsjach. Hielscher produkuje największe na świecie przemysłowe ultradźwiękowe procesory cieczy do efektywnego emulgowania dużych strumieni objętości w zakładach produkcyjnych.

ultradźwiękowy Emulsyfikacja

W laboratorium siła emulgująca ultradźwięków jest znana i stosowana od dawna ze względu na różne korzyści związane z homogenizacją i emulgacją ultradźwiękową. Niezawodna emulgacja ultradźwiękowa opiera się na zastosowaniu sond ultradźwiękowych, tzw. sonotrod. Za pośrednictwem sondy ultradźwięki o wysokim natężeniu są wprowadzane do cieczy i tworzą kawitację akustyczną. Kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna generuje duże siły ścinające, które zapewniają wymaganą energię do rozbicia dużych kropli do rozmiarów nano. W ten sposób dwie lub więcej faz ciekłych jest mieszanych w jednolitą submikronową lub nanoemulsję.

Zalety emulgowania ultradźwiękowego

Emulgowanie ultradźwiękowe przy użyciu ultradźwiękowca z sondą ma kilka zalet w porównaniu z innymi technikami emulgowania:

1. Poprawiona stabilność emulsji: Emulgacja ultradźwiękowa powoduje powstawanie kropli o mniejszych rozmiarach i bardziej równomiernym rozkładzie, co skutkuje lepszą stabilnością emulsji i dłuższym okresem przechowywania. Kropelki o rozmiarach submikronowych i nano można niezawodnie wytwarzać za pomocą ultradźwięków o dużej mocy.
2. Efektywność energetyczna: Emulgacja ultradźwiękowa wymaga mniej energii niż inne metody emulgowania, co czyni ją bardziej energooszczędnym procesem.
3. Skalowalność: Emulgacja ultradźwiękowa może być łatwo skalowana w górę lub w dół w zależności od wymaganej objętości, co czyni ją uniwersalnym procesem zarówno dla zastosowań laboratoryjnych, jak i przemysłowych.
4. Oszczędność czasu: Emulgacja ultradźwiękowa może być bardzo szybkim procesem, w którym emulsje tworzą się w ciągu sekund do minut, w zależności od cieczy, objętości i wyposażenia.
5. Zmniejszona potrzeba stosowania środków powierzchniowo czynnych: Emulgacja ultradźwiękowa może zmniejszyć zapotrzebowanie na środki powierzchniowo czynne, które są często wymagane do stabilizacji emulsji. Jednak przy zmniejszonej wielkości kropli zwiększa się powierzchnia cząsteczki i więcej powierzchni musi być pokryte przez środek powierzchniowo czynny. Ultrasonikowanie jest kompatybilne z prawie każdym rodzajem środka powierzchniowo czynnego, w tym z alternatywnymi i nowymi emulgatorami.
6. Minimalne i dające się kontrolować wytwarzanie ciepła: Emulgacja ultradźwiękowa jest procesem nietermicznym i można uniknąć lub w niewielkim stopniu ograniczyć wytwarzanie ciepła podczas przetwarzania. W ten sposób zmniejsza się ryzyko termicznej degradacji wrażliwych związków lub składników.

Ogólnie rzecz biorąc, zalety emulgacji ultradźwiękowej przy użyciu ultradźwiękowca typu sonda sprawiają, że jest to popularny wybór do emulgowania w różnych dziedzinach, w tym żywności i napojów, farmaceutyków, kosmetyków, drobnych chemikaliów i paliw.

Ultradźwiękowe przygotowanie emulsji typu olej w wodzie (O/W) (czerwona woda / żółty olej). Kilkusekundowa syrenacja zamienia oddzielne fazy woda/olej w drobną emulsję.

 
 
Poniższy film przedstawia proces emulgowania oleju (żółty) do wody (czerwony) przy użyciu ultradźwiękowca laboratoryjnego UP400S.

Co to jest Emulsja?
Emulsje są dyspersjie dwóch lub więcej niemieszalnych cieczach. Ultradżwięk bardzo intensywny dostarcza moc potrzebną do dyspergowania w fazie ciekłej (faza dyspergowana) w małych kropelek w drugim etapie (faza ciągła). W fazie dyspergowania pęcherzyki kawitacyjne które implodują powodują intensywne fale uderzeniowe w okolicy cieczy i prowadzą do przepływu cieczy z wysoką prędkością.

Nano-emulsje – Zastosowanie mocy dla ultradźwiękowców

Nanoemulsje to emulsje z kroplami, których rozmiar jest zazwyczaj mniejszy niż 100 nanometrów. Nanoemulsje oferują szereg korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi emulsjami, w tym unikalne właściwości funkcjonalne, wyższą stabilność, przejrzystość itp.
Ultradźwięki przewyższają tradycyjne technologie emulgowania, zwłaszcza jeśli chodzi o tworzenie nanoemulsji. Wynika to z wysoce wydajnej i energochłonnej zasady działania ultradźwięków.

Zasada działania emulgacji ultradźwiękowej

W procesach emulgowania ultradźwiękowego wykorzystuje się siły kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna odnosi się do zjawiska tworzenia, wzrostu i implozyjnego zapadania się małych pęcherzyków w ciekłym medium poddanym działaniu fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności. Implozja tych pęcherzyków generuje intensywne lokalne gradienty ciśnienia i temperatury, które mogą tworzyć duże siły ścinające, fale uderzeniowe i mikrodysze, które mogą rozbijać duże cząstki i aglomeraty na mniejsze. Na zdjęciu po lewej stronie pokazano kawitację ultradźwiękową generowaną na sondzie ultradźwiękowca UIP1000hdT (1000 W) w szklanej kolumnie wypełnionej cieczą.
W emulgowaniu i nanoemulgowaniu intensywność kawitacji akustycznej odgrywa krytyczną rolę w zmniejszaniu rozmiarów kropel w emulsji. Impulsywne zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych może tworzyć silne siły ścinające, które rozbijają większe krople na mniejsze. Ponadto, lokalne gradienty ciśnienia i temperatury generowane przez kawitację mogą również promować tworzenie nowych kropel i stabilizować emulsję.
Unikalnym aspektem kawitacji akustycznej jest jej zdolność do dostarczenia zlokalizowanej i intensywnej energii do medium ciekłego, bez konieczności stosowania wysokich naprężeń mechanicznych lub termicznych. To sprawia, że jest to atrakcyjna technika dla nanoemulsyfikacji, ponieważ może zmniejszyć nakład energii wymagany w procesie emulgacji, jednocześnie uzyskując mniejszy rozmiar kropli i węższy rozkład wielkości kropli.
Dzięki tym precyzyjnie kontrolowanym siłom ultradźwiękowym, kawitacja akustyczna jest potężnym narzędziem do nanoemulsyfikacji. Jej zdolność do generowania zlokalizowanego i intensywnego dopływu energii pozwala na rozbijanie większych kropel tworząc kropelki submikronowe i nano wielkości z bardzo wysoką wydajnością.

Badania na temat emulsji oleju w wodzie (faza wody) i emulsji w oleju (olej fazy) wykazały korelację między gęstości energetycznej i rozmiaru kropelek (np. średnica Sauter). Istnieje wyraźna tendencja do mniejszego rozmiaru kropelek na zwiększenie gęstości energetycznej (Kliknij na grafikę po prawej). Przy odpowiednich poziomach gęstości energii, ultradźwięki mogą łatwo i niezawodnie osiągnąć średnie rozmiary kropel w zakresie nano.

Sondy ultradźwiękowe do efektywnej emulgacji

Firma Hielscher oferuje szeroki zakres ultradźwięków sondowych i akcesoriów do efektywnego emulgowania i dyspergowania cieczy w trybie wsadowym i przepływowym.
Systemy składające się z kilku procesorów ultradźwiękowych o mocy do 16 000 W każdy, zapewniają wydajność potrzebną do przełożenia tej aplikacji laboratoryjnej na wydajną metodę produkcji w celu uzyskania drobno zdyspergowanych emulsji w przepływie ciągłym lub w partii. – osiągająć wyniki porównywalne do najlepszych homogenizatorów wysokociśnieniowych w dzisiejszych czasach, na przykład nowy zawór kryzowy. Dodatkowo do wysokiej wydajności w emulsyfikacji ciągłej, urządzenia Hielscher ultrasonics mają bardzo niskie koszty utrzymania i są bardzo łatwe w obsłudze i do czyszczenia. Ultradźwięk nawet pomaga w czyszczeniu i płukaniu. Moc ultradźwiękowa da się regulować i może być dostosowana do poszczególnych produktów i wymagań emulsyfikacji. Specjalne reaktory celek przepływowych które dostarczają wymagań i czyszczenia CIP (clean-in-place) i sterilizacji SIP (sterilize-in-placein) także są dostępne.