Emulsificação por cavitação ultra-sónica
Uma vasta gama de produtos intermédios e de consumo – tais como cosméticos, loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas, lubrificantes e combustíveis – são compostos, no todo ou em parte, por emulsões.
A Hielscher fabrica os maiores processadores ultrassónicos industriais de líquidos do mundo, destinados à emulsificação eficiente de fluxos de grande volume em instalações de produção.
Como funciona a emulsificação por ultrassons
Aplicações laboratoriais: Em ambientes laboratoriais, o poder de emulsificação do ultrassom é conhecido e utilizado há muito tempo, devido às diversas vantagens associadas à homogeneização e à emulsificação por ultrassom.
A tecnologia
A emulsificação por ultrassons fiável baseia-se na utilização de sondas ultrassónicas, também conhecidas como sonotrodos. O processo funciona da seguinte forma:
- Acoplamento de ultrassom: Através da sonda ultrassónica, o ultrassom de alta intensidade é transmitido aos líquidos, provocando cavitação acústica.
- Efeito de cavitação: A cavitação ultrassónica ou acústica gera forças de cisalhamento elevadas, que fornecem a energia necessária para fragmentar gotículas de grandes dimensões em gotículas de tamanho nanométrico.
- Formação de emulsões: Duas ou mais fases líquidas são misturadas para formar uma submicroemulsão ou nanoemulsão uniforme.
Ampliação da produção em escala industrial através da tecnologia de fluxo contínuo: A utilização de células de fluxo ultrassónicas permite um aumento de escala linear até à produção industrial de nanoemulsões, processando fluxos de grande volume em regime de fluxo contínuo.
Preparação por ultrassons de uma nanoemulsão transparente utilizando o ultrassonificador UP400ST.
As vantagens da emulsificação por ultrassons
A emulsificação por ultra-sons com um aparelho de ultra-sons do tipo sonda oferece várias vantagens em relação a outras técnicas de emulsificação:
- Melhoria da estabilidade da emulsão: A emulsificação ultra-sónica cria gotículas mais pequenas e uma distribuição de gotículas mais uniforme, resultando numa melhor estabilidade da emulsão e num prazo de validade mais longo. As gotículas de tamanho submicrónico e nanométrico podem ser produzidas de forma fiável utilizando ultra-sons de potência.
- Eficiência energética: A emulsificação por ultra-sons requer menos energia do que outros métodos de emulsificação, tornando-a um processo mais eficiente em termos energéticos.
- Escalabilidade: A emulsificação por ultra-sons pode ser facilmente aumentada ou reduzida, dependendo do volume necessário, tornando-a um processo versátil para aplicações laboratoriais e industriais.
- Poupança de tempo: A emulsificação por ultra-sons pode ser um processo muito rápido, com a formação de emulsões em segundos a minutos, dependendo dos líquidos, do volume e do equipamento.
- Necessidade reduzida de tensioactivos: A emulsificação ultra-sónica pode reduzir a necessidade de surfactantes, que são frequentemente necessários para estabilizar as emulsões. No entanto, com um tamanho de gota reduzido, a área de superfície da partícula é aumentada e mais área deve ser coberta por um surfactante. A ultra-sons é compatível com quase todos os tipos de tensioactivos, incluindo emulsionantes alternativos e novos.
- Geração de calor mínima e controlável: A emulsificação por ultra-sons é um processo não térmico e a geração de calor durante o processamento pode ser evitada ou reduzida a um pequeno grau. Deste modo, o risco de degradação térmica de compostos ou ingredientes sensíveis é reduzido.
As vantagens da emulsificação por ultra-sons utilizando um ultrassom de tipo sonda tornam-no uma excelente escolha para a emulsificação numa variedade de campos, incluindo alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos, cosméticos, produtos químicos finos e combustíveis.
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A medição DLS mostra a distribuição uniforme do tamanho das gotículas de uma emulsão de óleo de rosa em água produzida por ultrassons.
O que é uma emulsão?As emulsões são dispersões de dois ou mais líquidos imiscíveis. Os ultra-sons de alta intensidade fornecem a energia necessária para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas numa segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, as bolhas de cavitação implodidas causam ondas de choque intensas no líquido circundante e resultam na formação de jactos de líquido de alta velocidade.
Nano-emulsões – A aplicação de potência para sonicadores
As nanoemulsões são emulsões com gotículas de dimensão tipicamente inferior a 100 nanómetros. As nanoemulsões oferecem várias vantagens em relação às emulsões convencionais, incluindo propriedades funcionais únicas, maior estabilidade, transparência, etc.
Ultrassom supera as tecnologias tradicionais de emulsificação, especialmente quando se trata da formação de nanoemulsões. Isto é devido ao princípio de trabalho altamente eficiente e energia-intensa de ultrassom.
O vídeo abaixo mostra o processo de emulsificação de óleo (amarelo) em água (vermelho) usando o UP400S ultrasonicator laboratório.
Princípio de funcionamento da emulsificação por ultra-sons
Cavitação acústica: a força motriz por trás da emulsificação ultrassónica e da nanoemulsificação
A emulsificação por ultrassons baseia-se nos poderosos efeitos da cavitação acústica, um fenómeno que ocorre quando ondas de ultrassom de alta intensidade atravessam um líquido. Durante este processo, formam-se bolhas microscópicas, que crescem e, em seguida, colapsam violentamente. O colapso implosivo destas bolhas gera condições localizadas extremas, incluindo intensos gradientes de pressão e temperatura, elevadas forças de cisalhamento, ondas de choque e microjatos de líquido. Estas forças decompõem eficazmente grandes partículas, gotículas e aglomerados em estruturas muito mais pequenas.
A imagem à esquerda ilustra a cavitação acústica gerada pelo processador ultrassónico UIP1000hdT (1000 W) em funcionamento numa coluna de vidro cheia de líquido.
Como a cavitação acústica melhora a emulsificação
Tanto na emulsificação como na nanoemulsificação, a intensidade da cavitação é um fator determinante no tamanho das gotículas. À medida que as bolhas de cavitação colapsam, as forças de cisalhamento resultantes fragmentam as gotículas maiores em outras cada vez mais pequenas. Ao mesmo tempo, as variações localizadas de pressão e temperatura promovem a formação de novas gotículas, contribuindo simultaneamente para a estabilização da emulsão.
Esta combinação de fragmentação e estabilização de gotículas permite que a tecnologia ultrassónica produza emulsões altamente uniformes com distribuições granulométricas de gotículas excepcionalmente finas.
Distribuição do tamanho das gotículas em emulsões de água e azeite preparadas por (a) método clássico de homogeneização e (b) método de homogeneização por ultrassons (utilizando o UP400S) com MD, WPI e a sua mistura, com 40 % de matéria seca e 9 % de teor de óleo (p/p). A emulsificação por ultrassons resulta em gotículas significativamente mais pequenas, menor separação e uma melhor estabilidade geral da emulsão.
(estudo e gráficos: Zungur et al., 2015)
Sondas ultra-sónicas para uma emulsificação eficiente
A Hielscher oferece uma vasta gama de ultrassons do tipo sonda e acessórios para a emulsificação e dispersão eficientes de líquidos em modo descontínuo e de fluxo.
Os sistemas constituídos por vários processadores ultra-sónicos até 16 000 watts cada, fornecem a capacidade necessária para traduzir esta aplicação laboratorial num método de produção eficiente para obter emulsões finamente dispersas em fluxo contínuo ou em lote – alcançando resultados comparáveis aos dos melhores homogeneizadores de alta pressão atualmente disponíveis, como a nova válvula de orifício. Para além desta elevada eficiência na emulsificação contínua, os dispositivos ultra-sónicos Hielscher requerem uma manutenção muito reduzida e são muito fáceis de operar e de limpar. O ultrassom realmente apoiar a limpeza e enxaguamento. A potência ultra-sónica é ajustável e pode ser adaptada a produtos específicos e a requisitos de emulsificação. Também estão disponíveis reactores de células de fluxo especiais que satisfazem os requisitos avançados de CIP (limpeza no local) e SIP (esterilização no local).
O MultiSonoReactor MSR-4 é um reator industrial de homogeneização em linha, adequado para processos de (nano-)emulsificação com elevados rendimentos.
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0.5 a 1,5mL | n.d. | VialTweeter | 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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MultiPhaseCavitator (MPC48)
O MultiPhaseCavitator é um acessório potente compatível com os reatores de célula de fluxo ultrassónicos da Hielscher: utilizando o inserto MPC48, a fase dispersa é injetada através de 48 cânulas sob a forma de finos fios de líquido na zona quente ultrassónica, onde a fase dispersa e a fase contínua se misturam sob a forma de gotículas minúsculas, formando uma nanoemulsão.
Descubra como o MultiPhaseCavitator melhora a emulsificação!
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Literatura / Referências
- 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
Fatos, vale a pena conhecer
Definição do termo “Emulsão”
Uma emulsão é uma mistura de dois ou mais líquidos imiscíveis, como o óleo e a água.
As emulsões podem ser óleo em água (em que as gotículas de óleo estão dispersas em água) ou água em óleo (em que as gotículas de água estão dispersas em óleo). As emulsões são utilizadas numa variedade de aplicações, incluindo produtos alimentares (como molhos para salada e maionese), cosméticos (como loções e cremes) e produtos farmacêuticos (como vacinas).
Um emulsionante actua reduzindo a tensão superficial entre as duas substâncias imiscíveis (como o óleo e a água) numa emulsão. Isto reduz a tendência das duas substâncias para se separarem e permite-lhes formar uma mistura estável.
Como é que uma emulsão se torna estável?
A estabilidade de uma emulsão é conseguida impedindo que a fase dispersa (gotículas de um líquido) se coalesça e se separe da fase contínua (o líquido circundante). Para alcançar a estabilidade das emulsões, devem ser considerados vários pontos-chave:
- Emulsionantes (tensioactivos):
– Função: Os emulsionantes são moléculas que têm extremidades hidrofílicas (que atraem a água) e hidrofóbicas (que repelem a água).
– Ação: Reduzem a tensão superficial entre os dois líquidos imiscíveis e formam uma camada protetora à volta das gotículas, impedindo-as de se fundirem.
– Exemplos: Lecitina, polissorbatos e estearoil lactato de sódio. - Métodos mecânicos:
Mistura de alto desempenho: Utilização de misturadores ou homogeneizadores de alto cisalhamento para quebrar as gotículas em tamanhos mais pequenos, aumentando a área de superfície e melhorando a estabilidade. Os sonicadores do tipo sonda são um método excelente e muito fiável que utiliza forças de cisalhamento sonomecânicas. Estas forças de cisalhamento ultra-sónicas quebram gotículas grandes em gotículas minúsculas e misturam as fases imiscíveis numa emulsão estável. - Modificadores de viscosidade:
Espessantes: O aumento da viscosidade da fase contínua pode abrandar o movimento das gotículas, reduzindo a probabilidade de coalescência.
– Exemplos: Goma xantana, goma de guar e carboximetilcelulose. - Agentes estabilizadores:
– Polímeros: Os polímeros podem proporcionar estabilização estérica formando uma camada espessa à volta das gotículas.
– Exemplos: Pectina, gelatina e certas proteínas. - Estabilização eletrostática:
– Carga: Alguns emulsionantes conferem uma carga eléctrica à superfície das gotículas, fazendo com que estas se repelem umas às outras e reduzindo assim a coalescência.
– Exemplos: Caseinato de sódio e lecitina de soja. - Controlo da temperatura:
– Arrefecimento: A redução da temperatura pode aumentar a viscosidade da fase contínua e reduzir a energia cinética das gotículas, evitando a coalescência.
– Evitar a separação de fases: Assegurar que a temperatura se mantém dentro de um intervalo que impede a separação dos componentes. - Aditivos:
– Antioxidantes: A prevenção da oxidação pode ajudar a manter a integridade do emulsionante e de outros componentes.
– Agentes quelantes: Ligação de iões metálicos que, de outra forma, poderiam desestabilizar a emulsão.
Aplicando a técnica correta de emulsificação, as emulsões podem ser estabilizadas, assegurando que a mistura permanece homogénea e mantém as propriedades desejadas ao longo do tempo.
Emulsionantes estabilizadores
Em geral, as emulsões requerem estabilização utilizando um agente emulsionante ou surfactante. Os emulsionantes são anfifílicos - atraem tanto a água como as substâncias gordas. Isto significa que têm propriedades hidrofílicas (que gostam de água) e hidrofóbicas (que gostam de óleo), o que lhes permite interagir com as fases de óleo e água da emulsão. A parte hidrofílica da molécula do emulsionante liga-se às moléculas de água, enquanto a parte hidrofóbica se liga às moléculas de óleo.
Ao rodear as gotículas de óleo com moléculas de emulsionante, o emulsionante cria uma camada protetora à volta das gotículas que impede que estas entrem em contacto umas com as outras e se coalesçam (se juntem) para formar gotículas maiores. Isto ajuda a manter a emulsão estável e evita a separação.
Como a coalescência das gotas após a rutura influencia a distribuição final do tamanho das gotas, são utilizados emulsionantes estabilizadores eficazes para manter a distribuição final do tamanho das gotas a um nível igual ao da distribuição imediatamente após a rutura das gotas na zona de dispersão ultra-sónica. Os estabilizadores conduzem, de facto, a uma melhor rutura das gotículas a uma densidade de energia constante.
Exemplos de emulsionantes habitualmente utilizados incluem a lecitina (que se encontra na gema de ovo e na soja), mono e diglicéridos, polissorbato 80 e estearoil lactato de sódio.
As miniemulsões, que podem ser eficientemente criadas por ultra-sons, melhoram as reacções químicas. Polimerização em macroemulsão (a) versus polimerização em miniemulsão (b) [Schork et al. 2005: 136]
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.