Emulgowanie przez kawitację ultradźwiękową

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.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowce są niezawodne i wydajne w produkcji emulsji o rozmiarach submikronowych i nano.

Ultradźwiękowce są niezawodne i wydajne w produkcji emulsji o rozmiarach submikronowych i nano.

Zalety emulgowania ultradźwiękowego

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

  1. Poprawiona stabilność emulsji: Emulsyfikacja ultradźwiękowa tworzy mniejsze rozmiary kropli i bardziej równomierny rozkład kropli, co skutkuje lepszą stabilnością emulsji i dłuższym okresem przydatności do spożycia. Kropelki o wielkości submikronowej i nano mogą być niezawodnie wytwarzane przy użyciu ultradźwięków.
  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.

Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

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.

Film przedstawia ultrasonograf Hielscher UP400S przygotowujący nanocząsteczkową emulsję olejowo-wodną.

Emulgowanie oleju w wodzie przy użyciu UP400S

Miniatura wideo

 

Ultradźwięki są skuteczną techniką emulgowania i nanoemulgowania.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 można skutecznie tworzyć za pomocą ultradźwięków, wzmacniają reakcje polimeryzacji.

Miniemulsje, które mogą być efektywnie tworzone przez ultradźwięki, wzmacniają reakcje chemiczne. Polimeryzacja makroemulsyjna (a) versus polimeryzacja miniemulsyjna (b) [Schork et al. 2005: 136].

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

Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1000hdT (1kW) ultrasonicatorW 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.

Emulsja wodno-olejowa wytwarzana metodą ultradźwiękową (Hielscher Ultrasonics)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.

Przemysłowy homogenizator ultradźwiękowy do efektywnego emulgowania oleju i wody. Ultrasonizacja jest wysoce skuteczna w produkcji długotrwałych stabilnych nanoemulsji.

MultiSonoReactor MSR-4 jest przemysłowym reaktorem homogenizacyjnym typu inline, odpowiednim dla procesów (nano)emulgacji o dużej przepustowości.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

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 150L 3 do 15L/min UIP6000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat emulgatorów ultradźwiękowych, zastosowań i ceny. Z przyjemnością omówimy z Państwem proces emulgowania i zaproponujemy system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Film przedstawia procesor ultradźwiękowy UP400S firmy Hielscher przygotowujący nanocząsteczkową emulsję oleju roślinnego w wodzie.

Emulgowanie oleju roślinnego w wodzie przy użyciu UP400S

Miniatura wideo

Ultradźwiękowe homogenizatory o wysokim ścinaniu są stosowane w laboratoriach, na stanowiskach badawczych, w procesach pilotażowych i przemysłowych.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.



Literatura / materiały źródłowe

  • 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.
  • Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
  • 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 Warto wiedzieć

Definicja pojęcia “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 wielu zastosowaniach, w tym w produktach spożywczych (takich jak sosy sałatkowe i majonez), kosmetykach (takich jak balsamy i kremy) i farmaceutykach (takich jak szczepionki).
Emulgator działa poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego pomiędzy dwoma niemieszającymi się substancjami (takimi jak olej i woda) w emulsji. Zmniejsza to tendencję tych dwóch substancji do rozdzielania się i pozwala im utworzyć stabilną mieszaninę.

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 przyłącza się do cząsteczek wody, natomiast część hydrofobowa do cząsteczek oleju.
Otaczając kropelki oleju cząsteczkami emulgatora, emulgator tworzy wokół kropel warstwę ochronną, która zapobiega ich kontaktowi ze sobą i koalescencji (łączeniu się) w celu utworzenia większych kropel. Pomaga to utrzymać stabilność emulsji i zapobiega jej rozdzielaniu.
Ponieważ koalescencja kropli po rozerwaniu wpływa na końcowy rozkład wielkości kropli, stosuje się emulgatory skutecznie stabilizujące, aby utrzymać końcowy rozkład wielkości kropli na poziomie równym rozkładowi bezpośrednio po rozerwaniu kropli w ultradźwiękowej strefie dyspersyjnej. Stabilizatory faktycznie prowadzą do poprawy rozpadu kropli przy stałej gęstości energii.
Przykłady powszechnie stosowanych emulgatorów obejmują lecytynę (która znajduje się w żółtkach jaj i soi), mono- i diglicerydy, polisorbat 80 i stearynian sodu.


Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Paleta produktów firmy Hielscher obejmuje pełne spektrum od kompaktowych ultradźwięków laboratoryjnych, poprzez urządzenia stołowe, aż po przemysłowe systemy ultradźwiękowe.

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.


Chętnie porozmawiamy o Państwa procesie.

Skontaktujmy się.