Emulgowanie za pomocą kawitacji ultradźwiękowej
Szeroka gama produktów dla przemysłu i konsumentów – takie jak kosmetyki, balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby, smary i paliwa – opierają się w całości lub w części na emulsjach.
Firma Hielscher produkuje największe na świecie przemysłowe urządzenia do ultradźwiękowej obróbki cieczy, służące do wydajnej emulgacji strumieni o dużej objętości w zakładach produkcyjnych.
Jak działa emulgacja ultradźwiękowa
Zastosowania laboratoryjne: W warunkach laboratoryjnych właściwości emulgujące ultradźwięków są znane i wykorzystywane od dawna ze względu na liczne korzyści związane z homogenizacją i emulgacją ultradźwiękową.
Technologia
Niezawodna emulgacja ultradźwiękowa opiera się na zastosowaniu sond ultradźwiękowych, zwanych również sonotrodami. Proces ten przebiega w następujący sposób:
- Środek kontrastowy do badań ultrasonograficznych: Za pomocą sondy ultradźwiękowej do cieczy wprowadzane są fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu, co powoduje kawitację akustyczną.
- Efekt kawitacji: Kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna wytwarza duże siły ścinające, które dostarczają energii niezbędnej do rozbicia dużych kropelek na cząsteczki o rozmiarach nanometrycznych.
- Tworzenie emulsji: Dwie lub więcej faz ciekłych miesza się, tworząc jednolitą emulsję o wielkości cząstek poniżej mikrona lub w skali nano.
Wdrażanie procesów na skalę przemysłową z wykorzystaniem technologii przepływowej: Zastosowanie ultradźwiękowych komór przepływowych umożliwia liniowe zwiększanie skali produkcji nanoemulsji do poziomu przemysłowego, umożliwiając przetwarzanie dużych objętości w trybie ciągłym.
Wytwarzanie przezroczystej nanoemulsji metodą ultradźwiękową przy użyciu ultrasonografu UP400ST.
Zalety emulgacji ultradźwiękowej
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!
Pomiar metodą DLS wykazuje równomierny rozkład wielkości kropelek w emulsji typu „olej w wodzie” z olejkiem różanym, wytworzonej metodą ultradźwiękową.
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.
nanoemulsje – Zastosowania urządzeń ultradźwiękowych
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.
Poniższy film przedstawia proces emulgowania oleju (żółty) w wodzie (czerwony) za pomocą ultradźwiękowego urządzenia laboratoryjnego UP400S.
Zasada działania emulgowania ultradźwiękowego
Kawitacja akustyczna: siła napędowa emulgacji ultradźwiękowej i nanoemulgacji
Emulgowanie ultradźwiękowe opiera się na potężnym działaniu kawitacji akustycznej – zjawiska, które ma miejsce, gdy fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu przechodzą przez ciecz. W trakcie tego procesu powstają mikroskopijne pęcherzyki, które rosną, a następnie gwałtownie pękają. Implozja tych pęcherzyków generuje ekstremalne warunki lokalne, w tym intensywne gradienty ciśnienia i temperatury, duże siły ścinające, fale uderzeniowe oraz mikrostrumienie cieczy. Siły te skutecznie rozbijają duże cząstki, kropelki i aglomeraty na znacznie mniejsze struktury.
Zdjęcie po lewej stronie przedstawia kawitację akustyczną wywołaną przez procesor ultradźwiękowy UIP1000hdT (1000 W) pracujący w szklanej kolumnie wypełnionej cieczą.
W jaki sposób kawitacja akustyczna poprawia proces emulgowania
Zarówno w przypadku emulgacji, jak i nanoemulgacji intensywność kawitacji stanowi kluczowy czynnik decydujący o wielkości kropelek. Gdy pęcherzyki kawitacyjne ulegają zapadnięciu, powstające siły ścinające rozbijają większe kropelki na coraz mniejsze. Jednocześnie lokalne zmiany ciśnienia i temperatury sprzyjają tworzeniu się nowych kropelek, przyczyniając się jednocześnie do stabilizacji emulsji.
Dzięki połączeniu rozbijania i stabilizacji kropelek technologia ultradźwiękowa pozwala uzyskać emulsje o bardzo jednolitej strukturze i wyjątkowo drobnym rozkładzie wielkości kropelek.
Rozkład wielkości kropelek w emulsjach wodno-oliwnych przygotowanych (a) klasyczną metodą homogenizacji oraz (b) metodą homogenizacji ultradźwiękowej (z wykorzystaniem urządzenia UP400S) z dodatkiem MD, WPI i ich mieszanki, o zawartości 40% suchej masy i 9% oleju (w/w). Emulgowanie ultradźwiękowe pozwala uzyskać znacznie mniejsze kropelki, ogranicza tworzenie się warstwy tłuszczowej oraz zapewnia lepszą ogólną stabilność emulsji.
(badanie i wykresy: Zungur et al., 2015)
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!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator to wydajne urządzenie dodatkowe kompatybilne z ultradźwiękowymi reaktorami przepływowymi firmy Hielscher: przy użyciu wkładki MPC48 faza zdyspergowana jest wprowadzana za pomocą 48 kaniul w postaci cienkich strumieni cieczy do ultradźwiękowej strefy aktywnej, gdzie faza zdyspergowana i faza ciągła mieszają się w postaci mikroskopijnych kropelek, tworząc nanoemulsję.
Dowiedz się, w jaki sposób urządzenie MultiPhaseCavitator usprawnia proces emulgowania!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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 w czasie.
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.
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].
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.