Emulsja składa się z dwóch niemieszających się cieczy, które są w sobie drobno rozproszone. W przypadku emulsji typu olej w wodzie, faza olejowa (faza rozproszona) jest równomiernie mieszana z fazą wodną (faza ciągła). Emulgatory ultradźwiękowe są dobrze znane do przygotowania emulsji typu olej w wodzie i nanoemulsji. Emulsje ultradźwiękowe wyróżniają się równomiernym rozproszeniem kropli i długotrwałą stabilnością, dlatego są szeroko stosowane w laboratoriach i przemyśle.

Ultradźwiękowe emulsje olejowo-wodne

Emulsje typu olej w wodzie (O/W) są szeroko stosowane w wielu produktach konsumenckich, takich jak żywność, napoje, kosmetyki, farmaceutyki itp., jak również w przemyśle (np. materiałoznawstwie, polimerach, farbach, powłokach, chemii precyzyjnej itp.)

Definicja emulsji typu olej w wodzie

Emulsja olejowo-wodna jest mieszaniną, w której faza olejowa jest rozproszona w wodzie lub innej cieczy wodnej. Małe kropelki oleju są drobno rozproszone w fazie wodnej (faza ciągła) w celu utworzenia tej emulsji typu olej w wodzie. Jeśli olej (faza rozproszona) jest rozproszony w wodzie (faza ciągła), to jest to emulsja typu olej w wodzie; jeśli kropelki wody są dodawane do fazy ciągłej oleju, to jest to tzw. emulsja typu woda w oleju.
W przypadku emulsji typu olej w wodzie, jakość otrzymanej emulsji zależy od składu (stosunek oleju do wody, środek emulgujący) i techniki emulgowania. Emulgatory ultradźwiękowe wykorzystują kawitację akustyczną, która charakteryzuje się intensywnymi siłami ścinającymi i turbulencjami w cieczy. Te wysoce intensywne siły rozbijają dwie niemieszające się fazy cieczy na drobne kropelki i równomiernie je ze sobą mieszają. Emulgacja ultradźwiękowa może z łatwością generować nano-wielkie cząstki o wielkości kropli do 10nm. Bardzo mały rozmiar kropli i jednorodny, równomierny rozkład wielkości kropli w emulsjach przygotowanych ultradźwiękowo sprawia, że sonikacja staje się preferowaną techniką emulgacji.
 

Krzywa przedstawia rozkład nano-kropelek w ultradźwiękowo rozproszonej nanoemulsji typu olej w wodzie. Ta ultradźwiękowa emulsja zawiera olejek eteryczny z mięty pieprzowej zemulgowany w ciągłej fazie wodnej.

Korzyści płynące z emulsyfikacji ultradźwiękowej

Emulgacje ultradźwiękowe przewyższają inne techniki emulgowania, takie jak homogenizacja wysokociśnieniowa, mieszanie i mikrofluidyzacja o wysokiej wydajności, konsekwentne wytwarzanie nanokropel, wysoka stabilność emulsji i zdolność do obróbki każdej objętości, od małych rurek i zlewek do dużych strumieni.
Na przykład Li i Xiang (2019) wykazali w swoich badaniach porównawczych homogenizacji wysokociśnieniowej i emulsyfikacji ultradźwiękowej, że ultrasonizacja daje bardziej jednolite, stabilne emulsje. Agregacja w emulsjach olej kokosowy w wodzie pojawiła się dopiero po poddaniu ich homogenizacji wysokociśnieniowej, natomiast emulsja powstała w wyniku emulsyfikacji ultradźwiękowej pozostała stabilna podczas 30-dniowego przechowywania.
W porównaniu z mieszaniem mechanicznym stwierdzono, że emulsje przygotowywane techniką ultradźwiękową są bardziej stabilne przez dłuższy czas w porównaniu z emulsjami przygotowywanymi metodą mieszania mechanicznego, co można przypisać małej wielkości kropli, która jest stabilizowana termodynamicznie. Technika ultradźwiękowa daje bardziej stabilne emulsje niż konwencjonalna metoda mechanicznego mieszania. (por. Ramisetty i Shyamsunder, 2011)
O'Sullivan i wsp. (2015) wykazują w swoich badaniach, że w wyniku emulgowania ultradźwiękowego stale otrzymywane są emulsje submikronowe (poniżej 200 nm). Jednak nanoemulsje o jednolitej wielkości kropli 10 nm mogą być łatwo i niezawodnie uzyskiwane w zoptymalizowanych warunkach. Wielkość kropli emulsji wytwarzanych ultradźwiękowo jest funkcją czasu przetwarzania i amplitudy ultradźwiękowej zarówno dla przetwarzania wsadowego, jak i ciągłego.

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

Zasada działania emulsyfikacji ultradźwiękowej

Produkcja ultradźwiękowa emulsji i nano-emulsji (takich jak emulsje typu olej w wodzie i woda w oleju) opiera się na zasadzie pracy kawitacji akustycznej. W celu wytworzenia kawitacji akustycznej, za pomocą przetwornika ultradźwiękowego generowane są ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości, które następnie są przenoszone przez sondę i róg ultradźwiękowy (sonotrode) do cieczy. Ultradźwięki o wysokiej mocy są uznawane za ultradźwięki w zakresie 16-30kHz. Sonda ultradźwiękowa rozszerza się i kurczy np. przy 20kHz, przekazując do ośrodka odpowiednio 20.000 drgań na sekundę. Kiedy fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz, naprzemienne cykle wysokiego (kompresja) / niskiego ciśnienia (rzadkość / rozprężanie) tworzą drobne ubytki (pęcherzyki próżniowe), które rosną przez kilka cykli ciśnieniowych. Podczas fazy ściskania cieczy i pęcherzyków ciśnienie jest dodatnie, podczas gdy w fazie rzadkości powstaje próżnia (podciśnienie). Podczas cykli sprężania i rozprężania, wgłębienia w cieczy rosną aż do osiągnięcia wielkości, przy której nie mogą wchłonąć dalszej energii. W tym momencie implodują one gwałtownie. W wyniku implozji tych ubytków powstają różne efekty wysokoenergetyczne, znane jako zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej. Kawitacja akustyczna charakteryzuje się licznymi efektami wysokoenergetycznymi, które oddziałują na układy ciecz-ciecz, ciało stałe-ciecz i gaz-ciecz. Strefa energetycznie gęsta lub kawitacyjna znana jest jako tzw. strefa hot-spot, która jest najbardziej energochłonna w bliskim sąsiedztwie sondy ultradźwiękowej i zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od sondy. Głównymi cechami kawitacji ultradźwiękowej są występujące lokalnie bardzo wysokie temperatury i ciśnienia oraz odpowiednie dyferencjały, turbulencje i strumienie cieczy. Podczas implozji kawitacji ultradźwiękowej w gorących punktach ultradźwiękowych można mierzyć temperatury do 5000 Kelvinów, ciśnienia do 200 atmosfer i strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h. Te wyjątkowe, energochłonne warunki przyczyniają się do efektów sonomechanicznych, które intensyfikują procesy poprzez wysoce efektywne mieszanie, dyspergowanie i emulgowanie. Ultradźwiękowe siły ścinające, strumień cieczy i turbulencje rozbijają kropelki i mieszają je równomiernie ze sobą. Wysokowydajna ultrasonizacja wytwarza niezawodnie nanokropelki o równomiernym rozkładzie wielkości. Dzięki temu emulsyfikacja ultradźwiękowa jest preferowaną metodą przygotowywania emulsji olejowo-wodnych/nano-emulsji o wysokiej stabilności emulsji i trwałości.

Wpływ intensywności ultradźwięków na jakość emulsji

Jakość emulsji charakteryzuje się przede wszystkim jej stabilnością. Z kolei stabilność emulsji jest czynnikiem rozkładu wielkości kropli i składu emulsji.
Intensywność ultradźwięków, czyli amplituda i czas trwania syreny, są ważnymi czynnikami wpływającymi na jakość otrzymywanej emulsji.
W badaniach naukowych emulsyfikacja ultradźwiękowa jest podzielona na dwie fazy: W pierwszej fazie następuje połączenie fal międzyfazowych i niestabilności Rayleigh-Taylora, powodując erupcję rozproszonych kropel fazowych do fazy ciągłej.
Podczas drugiego etapu, krople są rozbijane poprzez kawitację akustyczną w pobliżu faz granicznych kropli. Intensywne efekty rozbicia kropel i mieszania spowodowane kawitacyjnymi falami uderzeniowymi generują bardzo małe rozmiary kropel. Intensywność ultradźwięków, amplituda i czas sonikacji są odpowiedzialne za uzyskany efekt kawitacji i tym samym są najbardziej wpływowymi parametrami dotyczącymi emulgowania drobnych kropel. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher Ultrasonics są w stanie zapewnić bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być bez problemu realizowane w trybie ciągłym 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta.

Wysokowydajne emulgatory ultradźwiękowe High-Performance

Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest niezawodną technologią przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza produkcję wysokiej jakości emulsji o submikronowych i nanokropelkowych rozmiarach. Portfolio firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres od kompaktowych laboratoryjnych ultrasonatorów do systemów przemysłowych do zastosowań emulgacyjnych. Dzięki temu firma Hielscher może zaoferować Państwu ultrasonograf najbardziej odpowiedni dla przewidywanej jakości emulsji i wydajności procesu. Nasi długoletni doświadczeni pracownicy pomogą Państwu począwszy od badań wykonalności i optymalizacji procesu aż do instalacji Państwa instalacji ultradźwiękowej na końcowym poziomie produkcji.
Niewielkie rozmiary naszych ekstraktorów ultradźwiękowych, jak również ich wszechstronność w zakresie możliwości instalacyjnych sprawiają, że nadają się one nawet do małych zakładów przetwórczych. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach produkujących żywność, farmację i suplementy diety.

Hielscher Ultrasonics – Wyrafinowane systemy emulsyfikacji

Portfolio produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełną gamę wysokowydajnych emulgatorów ultradźwiękowych od małej do dużej skali. Dodatkowe akcesoria pozwalają na łatwy montaż najbardziej odpowiedniej konfiguracji urządzenia ultradźwiękowego dla Państwa procesu emulgowania. Optymalna konfiguracja urządzenia ultradźwiękowego zależy od przewidywanej wydajności, objętości, surowców, procesu wsadowego lub inline oraz czasu.

Batch i Inline

Emulgatory ultradźwiękowe Hielscher mogą być stosowane do przetwarzania wsadowego i ciągłego. Ultradźwiękowe przetwarzanie wsadowe jest idealne do testowania procesów, optymalizacji i produkcji na poziomie małych i średnich przedsiębiorstw. W przypadku produkcji dużych ilości emulsji, przetwarzanie w linii produkcyjnej może być korzystniejsze. Ciągły proces mieszania w linii technologicznej wymaga skomplikowanej konfiguracji. – składający się z pompy, węży lub rur i zbiorników - ale jest bardzo wydajny, szybki i wymaga znacznie mniejszego nakładu pracy. Firma Hielscher Ultrasonics posiada najbardziej odpowiedni zestaw do emulgowania dla danej objętości emulsji i celów technologicznych.

Ultradźwiękowe sondy i reaktory do emulsyfikacji o dowolnej wielkości

Asortyment produktów firmy Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych laboratoryjnych ultrasonografów, poprzez systemy stacjonarne i pilotażowe, aż po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu najbardziej odpowiedni emulgator ultradźwiękowy dla Państwa wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stołowe są idealne do badania wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesowe umożliwia bardzo łatwe zwiększenie mocy przerobowych z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie może być wykonane przez zainstalowanie mocniejszego urządzenia do ekstrakcji ultradźwiękowej lub przez połączenie kilku ultrasonografów równolegle. Dzięki UIP16000 firma Hielscher oferuje najmocniejszy emulgator ultradźwiękowy na świecie.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla uzyskania optymalnych wyników

Wszystkie ultradźwięki firmy Hielscher są precyzyjnie sterowane i dzięki temu niezawodnie pracują z końmi roboczymi w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, który wpływa na efektywność i skuteczność emulgowania ultradźwiękowego. Amplituda jest decydującym czynnikiem, który w decydujący sposób wpływa na jakość emulgowania ultradźwiękowego. Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics pozwalają na precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i boost horns to akcesoria, które pozwalają na modyfikację amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczyć bardzo wysokie amplitudy i zapewnić wymagane natężenie ultradźwięków w wymagających aplikacjach. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością realizowane w trybie ciągłym w pracy 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość leczenia emulsji w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna syrenacja dla uzyskania najlepszych wyników emulgowania!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 w trudnych warunkach pracy i w wymagającym otoczeniu. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania w zakresie emulgowania.

Łatwe, wolne od ryzyka testowanie

Procesy ultradźwiękowe mogą być całkowicie liniowo skalowane. Oznacza to, że każdy wynik uzyskany za pomocą laboratorium lub stacjonarnego ultrasonografu może być skalowany na dokładnie taką samą wydajność przy użyciu dokładnie takich samych parametrów procesu. Dzięki temu ultradźwięki nadają się idealnie do bezinwazyjnych testów wykonalności, optymalizacji procesów i późniejszego wdrożenia do produkcji komercyjnej. Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się, w jaki sposób ultradźwiękowanie może poprawić produkcję emulsji.

Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako firma rodzinna i rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultrasonicators są zaprojektowane, wyprodukowane i dokładnie przetestowane w naszej siedzibie w Teltowie koło Berlina, Niemcy. Solidność i niezawodność ultradźwiękowego sprzętu Hielschera sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Firmy Hielscher.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: