Emulgowanie za pomocą kawitacji ultradźwiękowej
Szeroka gama półproduktów i produktów konsumenckich, takich jak kosmetyki i balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby i smary oraz paliwa, opiera się w całości lub w części na emulsjach. Hielscher produkuje największe na świecie przemysłowe ultradźwiękowe procesory cieczy do wydajnego emulgowania dużych strumieni objętości w zakładach produkcyjnych.
Emulsyfikacja ultradźwiękowa
W laboratorium moc emulgowania ultradźwięków jest znana i stosowana od dawna ze względu na różne korzyści związane z homogenizacją i emulgowaniem ultradźwiękowym. Niezawodna emulsyfikacja ultradźwiękowa opiera się na zastosowaniu sond ultradźwiękowych, tzw. sonotrod. Za pomocą sondy ultradźwiękowej ultradźwięki o wysokiej intensywności są sprzężone z cieczami i tworzą kawitację akustyczną. Kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna generuje duże siły ścinające, które zapewniają wymaganą energię do rozbijania dużych kropelek aż do kropelek wielkości nano. W ten sposób dwie lub więcej faz ciekłych miesza się w jednolitą emulsję submikronową lub nanoemulsję.
Zastosowanie ultradźwiękowych komórek przepływowych pozwala na liniowe skalowanie do przemysłowej produkcji nanoemulsji przetwarzających duże strumienie objętości w ciągłym przepływie.
Kawitator wielofazowy: Unikalna wkładka do komory przepływowej Hielscher MPC48 jest potężnym akcesorium kompatybilnym z ultradźwiękowymi reaktorami przepływowymi Hielscher. Za pomocą wkładki MPC48 faza rozproszona jest wstrzykiwana przez 48 kaniul jako cienkie ciekłe pasma do ultradźwiękowej strefy gorącej, gdzie faza rozproszona i faza ciągła są mieszane w postaci drobnych kropelek w nanoemulsję. Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej wkładce przepływowej MPC48!
Ultradźwięki są niezawodne i wydajne w produkcji emulsji submikronowych i nanometrycznych.
Zalety emulgowania ultradźwiękowego
Emulsyfikacja ultradźwiękowa przy użyciu ultrasonografu z sondą oferuje kilka zalet w porównaniu z innymi technikami emulgowania:
- Poprawiona stabilność emulsji: Emulsyfikacja ultradźwiękowa tworzy mniejsze rozmiary kropel i bardziej równomierny rozkład kropel, co skutkuje lepszą stabilnością emulsji i dłuższym okresem przydatności do spożycia. Kropelki o wielkości submikronowej i nano mogą być niezawodnie wytwarzane przy użyciu ultradźwięków mocy.
- Efektywność energetyczna: Emulsyfikacja ultradźwiękowa wymaga mniej energii niż inne metody emulsyfikacji, co czyni ją bardziej energooszczędnym procesem.
- Skalowalność: Emulgowanie ultradźwiękowe można łatwo skalować w górę lub w dół w zależności od wymaganej objętości, co czyni go wszechstronnym procesem zarówno w zastosowaniach laboratoryjnych, jak i przemysłowych.
- Oszczędność czasu: Emulsyfikacja ultradźwiękowa może być bardzo szybkim procesem, z emulsjami tworzącymi się w ciągu kilku sekund do minut, w zależności od cieczy, objętości i sprzętu.
- Mniejsze zapotrzebowanie na środki powierzchniowo czynne: Emulsyfikacja ultradźwiękowa może zmniejszyć zapotrzebowanie na środki powierzchniowo czynne, które są często wymagane do stabilizacji emulsji. Jednak przy zmniejszonym rozmiarze kropli powierzchnia cząstki jest zwiększona i więcej powierzchni musi być pokryte środkiem powierzchniowo czynnym. Ultradźwięki są kompatybilne z prawie każdym rodzajem środka powierzchniowo czynnego, w tym z alternatywnymi i nowymi emulgatorami.
- Minimalne i kontrolowane wytwarzanie ciepła: Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest procesem nietermicznym, a wytwarzanie ciepła podczas przetwarzania można uniknąć lub zmniejszyć do niewielkiego stopnia. W ten sposób zmniejsza się ryzyko degradacji termicznej wrażliwych związków lub składników.
Zalety emulgowania ultradźwiękowego za pomocą ultradźwiękowego sondy sprawiają, że jest to doskonały wybór do emulgowania w różnych dziedzinach, w tym w żywności i napojach, farmaceutykach, kosmetykach, chemikaliach i paliwach.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej emulgacji majonezu!
Przeczytaj więcej o produkcji emulsji parafinowych przy użyciu sonikacji!
Przeczytaj więcej o emulsjach typu woda w oleju napędowym produkowanych przy użyciu ultradźwięków!
Ultradźwiękowe przygotowanie emulsji typu olej w wodzie (O/W) (czerwona woda / żółty olej). Kilka sekund sonikacji zamienia oddzielne fazy woda/olej w drobną emulsję.
Poniższy film przedstawia proces emulgowania oleju (żółty) w wodzie (czerwony) za pomocą ultradźwiękowego urządzenia 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.
Miniemulsje, które mogą być skutecznie tworzone przez ultradźwięki, wzmacniają reakcje chemiczne. Polimeryzacja makroemulsyjna (a) w porównaniu z polimeryzacją miniemulsyjną (b) [Schork et al. 2005: 136].
nanoemulsje – Aplikacja zasilająca dla ultradźwiękowców
Nanoemulsje to emulsje z kroplami, których rozmiar jest zazwyczaj mniejszy niż 100 nanometrów. Nanoemulsje oferują szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi emulsjami, w tym unikalne właściwości funkcjonalne, wyższą stabilność, przezroczystość itp.
Ultradźwięki przewyższają tradycyjne technologie emulgowania, zwłaszcza jeśli chodzi o tworzenie nanoemulsji. Wynika to z wysoce wydajnej i energochłonnej zasady działania ultradźwięków.
Zasada działania emulgowania ultradźwiękowego
Procesy emulgowania ultradźwiękowego wykorzystują siły kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna odnosi się do zjawiska powstawania, wzrostu i implozyjnego zapadania się małych pęcherzyków w ciekłym ośrodku 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 mikrostrumienie, które mogą rozbijać duże cząstki i aglomeraty na mniejsze. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia kawitację ultradźwiękową generowaną na sondzie ultrasonografu UIP1000hdT (1000 watów) w szklanej kolumnie wypełnionej cieczą.
W emulgowaniu i nanoemulgowaniu intensywność kawitacji akustycznej odgrywa kluczową rolę w zmniejszaniu wielkości kropel w emulsji. Implozyjne zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych może tworzyć silne siły ścinające, które rozbijają większe kropelki na mniejsze. Co więcej, lokalne gradienty ciśnienia i temperatury generowane przez kawitację mogą również sprzyjać tworzeniu się nowych kropel i stabilizować emulsję.
Unikalnym aspektem kawitacji akustycznej jest jej zdolność do dostarczania zlokalizowanej i intensywnej energii do ciekłego medium, bez potrzeby stosowania wysokich naprężeń mechanicznych lub termicznych. Sprawia to, że jest to atrakcyjna technika nano-emulsyfikacji, ponieważ może zmniejszyć nakład energii wymagany do procesu emulsyfikacji, jednocześnie osiągając mniejszy rozmiar kropli i węższy rozkład wielkości kropli.
Dzięki precyzyjnie kontrolowanym siłom ultradźwiękowym kawitacja akustyczna jest potężnym narzędziem do nano-emulsyfikacji. Jego zdolność do generowania zlokalizowanego i intensywnego wkładu energii pozwala na rozbicie większych kropelek tworzących submikronowe i nano-rozmiary 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 skutecznej emulsyfikacji
Hielscher oferuje szeroką gamę ultrasonografów i akcesoriów do wydajnego 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.
MultiSonoReactor MSR-4 to przemysłowy reaktor do homogenizacji inline, odpowiedni do procesów (nano)emulgowania o dużej przepustowości.
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0.5-1,5 mL | b.d. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Definicja terminu “emulsja”
Emulsja to mieszanina dwóch lub więcej niemieszających się cieczy, takich jak olej i woda.
Emulsje mogą być typu olej w wodzie (gdzie kropelki oleju są rozproszone w wodzie) lub woda w oleju (gdzie kropelki wody są rozproszone w oleju). Emulsje są wykorzystywane 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 zmniejszenie napięcia powierzchniowego między dwiema niemieszającymi się substancjami (takimi jak olej i woda) w emulsji. Zmniejsza to tendencję dwóch substancji do rozdzielania się i umożliwia im utworzenie stabilnej mieszaniny.
Jak emulsja staje się stabilna?
Stabilność emulsji uzyskuje się poprzez zapobieganie koalescencji i oddzielaniu się fazy rozproszonej (kropelek jednej cieczy) od fazy ciągłej (otaczającej cieczy). Aby osiągnąć stabilność emulsji, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych punktów:
- Emulgatory (środki powierzchniowo czynne):
– Rola: Emulgatory to cząsteczki, które mają zarówno hydrofilowe (przyciągające wodę), jak i hydrofobowe (odpychające wodę) końce.
– Działanie: Zmniejszają one napięcie powierzchniowe między dwiema niemieszającymi się cieczami i tworzą warstwę ochronną wokół kropelek, zapobiegając ich koalescencji.
– Przykłady: Lecytyna, polisorbaty i stearoilomleczan sodu. - Metody mechaniczne:
Wysokowydajne mieszanie: Wykorzystanie mieszalników lub homogenizatorów o wysokiej prędkości ścinania do rozbijania kropelek na mniejsze rozmiary, zwiększając ich powierzchnię i poprawiając stabilność. Sonikatory sondowe są doskonałą i bardzo niezawodną metodą wykorzystującą sonomechaniczne siły ścinające. Te ultradźwiękowe siły ścinające rozbijają duże kropelki na drobne kropelki i mieszają niemieszające się fazy w stabilną emulsję. - Modyfikatory lepkości:
Zagęszczacze: Zwiększenie lepkości fazy ciągłej może spowolnić ruch kropelek, zmniejszając prawdopodobieństwo koalescencji.
– Przykłady: Guma ksantanowa, guma guar i karboksymetyloceluloza. - Środki stabilizujące:
– Polimery: Polimery mogą zapewnić stabilizację steryczną, tworząc grubą warstwę wokół kropelek.
– Przykłady: Pektyna, żelatyna i niektóre białka. - Stabilizacja elektrostatyczna:
– Opłata: Niektóre emulgatory nadają powierzchni kropelek ładunek elektryczny, powodując ich wzajemne odpychanie, a tym samym zmniejszając koalescencję.
– Przykłady: Kazeinian sodu i lecytyna sojowa. - Kontrola temperatury:
– Chłodzenie: Obniżenie temperatury może zwiększyć lepkość fazy ciągłej i zmniejszyć energię kinetyczną kropelek, zapobiegając koalescencji.
– Unikanie separacji faz: Zapewnienie, że temperatura pozostaje w zakresie, który zapobiega rozdzielaniu się komponentów. - Dodatki:
– Przeciwutleniacze: Zapobieganie utlenianiu może pomóc w utrzymaniu integralności emulgatora i innych składników.
– Środki chelatujące: Wiąże jony metali, które w przeciwnym razie mogłyby zdestabilizować emulsję.
Stosując odpowiednią technikę emulgowania, emulsje mogą być stabilne, zapewniając, że mieszanina pozostaje jednorodna i zachowuje pożądane właściwości przez długi czas.
Emulgatory stabilizujące
Ogólnie rzecz biorąc, emulsje wymagają stabilizacji za pomocą środka emulgującego lub środka powierzchniowo czynnego. Emulgatory są amfifilowe - przyciągają zarówno wodę, jak i substancje tłuszczowe. Oznacza to, że mają właściwości hydrofilowe (kochające wodę) i hydrofobowe (kochające olej), co pozwala im oddziaływać zarówno z fazą olejową, jak i wodną emulsji. Część hydrofilowa cząsteczki emulgatora przyczepia się do cząsteczek wody, podczas gdy część hydrofobowa przyczepia się do cząsteczek oleju.
Otaczając kropelki oleju cząsteczkami emulgatora, emulgator tworzy warstwę ochronną wokół kropelek, która zapobiega ich wzajemnemu kontaktowi i koalescencji (łączeniu się) w większe kropelki. Pomaga to utrzymać stabilność emulsji i zapobiega jej rozdzielaniu.
Ponieważ koalescencja kropel po rozbiciu wpływa na końcowy rozkład wielkości kropel, skutecznie stabilizujące emulgatory są stosowane w celu utrzymania końcowego rozkładu wielkości kropel na poziomie równym rozkładowi bezpośrednio po rozbiciu kropel w strefie dyspergowania ultradźwiękowego. Stabilizatory faktycznie prowadzą do lepszego rozbijania kropelek przy stałej gęstości energii.
Przykłady powszechnie stosowanych emulgatorów obejmują lecytynę (która znajduje się w żółtkach jaj i soi), mono- i diglicerydy, polisorbat 80 i stearoilomleczan sodu.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.