Emulsificação por cavitação ultra-sónica
Uma vasta gama de produtos intermédios e de consumo, tais como cosméticos e loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas e lubrificantes e combustíveis, baseiam-se total ou parcialmente em emulsões. A Hielscher fabrica os maiores processadores industriais de líquidos por ultra-sons do mundo para a emulsificação eficiente de fluxos de grande volume em instalações de produção.
Emulsificação por ultra-sons
No laboratório, o poder de emulsificação dos ultra-sons é conhecido e aplicado há muito tempo devido a vários benefícios que estão ligados à homogeneização e emulsificação ultra-sónicas. A emulsificação ultra-sónica fiável baseia-se na utilização de sondas ultra-sónicas, os chamados sonotrodos. Através da sonda ultra-sónica, os ultra-sons de alta intensidade são acoplados aos líquidos e criam cavitação acústica. A cavitação ultra-sónica ou acústica gera forças de cisalhamento elevadas, que fornecem a energia necessária para romper gotículas grandes até gotículas de tamanho nanométrico. Deste modo, duas ou mais fases líquidas são misturadas numa submicrónica ou nano-emulsão uniforme.
A utilização de células de fluxo ultra-sónicas permite o aumento de escala linear para a produção industrial de nanoemulsões, processando fluxos de grande volume em fluxo contínuo.
MultifásicoCavitador: O exclusivo inserto de célula de fluxo Hielscher MPC48 é um poderoso acessório compatível com os reactores de células de fluxo ultrassónico Hielscher. Usando a inserção MPC48, a fase dispersa é injectada através de 48 cânulas como fios líquidos finos para a zona quente de ultra-sons, onde a fase dispersa e a fase contínua são misturados como gotículas minúsculas em uma nanoemulsão. Leia mais sobre o inserto de célula de fluxo ultrassónico MPC48!
Os ultrassons são fiáveis e eficientes na produção de emulsões de tamanho submicrónico e nanométrico.
Vantagens da emulsificação por ultra-sons
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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Preparação por ultra-sons de uma emulsão de óleo em água (O/W) (água vermelha / óleo amarelo). Alguns segundos de sonicação transformam as fases separadas de água/óleo numa emulsão fina.
O vídeo abaixo mostra o processo de emulsificação de óleo (amarelo) em água (vermelho) usando o UP400S ultrasonicator laboratório.
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.
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]
Nano-emulsões – Uma aplicação de energia para ultrassons
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.
Princípio de funcionamento da emulsificação por ultra-sons
Os processos de emulsificação ultra-sónica utilizam as forças de cavitação acústica. A cavitação acústica refere-se ao fenómeno de formação, crescimento e colapso implosivo de pequenas bolhas num meio líquido sujeito a ondas de ultra-sons de alta intensidade. A implosão destas bolhas gera uma pressão local intensa e gradientes de temperatura, que podem criar forças de corte elevadas, ondas de choque e microjactos que podem quebrar partículas grandes e aglomerados em partículas mais pequenas. A imagem à esquerda demonstra a cavitação ultra-sónica gerada na sonda do ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watts) numa coluna de vidro cheia de líquido.
Na emulsificação e nano-emulsificação, a intensidade da cavitação acústica desempenha um papel crítico na redução do tamanho das gotículas na emulsão. O colapso implosivo das bolhas de cavitação pode criar fortes forças de cisalhamento que quebram as gotículas maiores em gotas menores. Além disso, os gradientes locais de pressão e temperatura gerados pela cavitação também podem promover a formação de novas gotículas e estabilizar a emulsão.
O aspeto único da cavitação acústica é a sua capacidade de fornecer uma entrada de energia localizada e intensa ao meio líquido, sem a necessidade de tensões mecânicas ou térmicas elevadas. Isto torna-a uma técnica atractiva para a nano-emulsificação, uma vez que pode reduzir a entrada de energia necessária para o processo de emulsificação, ao mesmo tempo que se obtém um tamanho de gota mais pequeno e uma distribuição de tamanho de gota mais estreita.
Devido a estas forças ultra-sónicas controláveis com precisão, a cavitação acústica é uma ferramenta poderosa para a nano-emulsificação. A sua capacidade de gerar uma entrada de energia localizada e intensa permite quebrar gotículas maiores formando gotículas de tamanho submicrónico e nanométrico com uma eficiência muito elevada.
Estudos efectuados em emulsões de óleo em água (fase aquosa) e de água em óleo (fase oleosa) mostraram a correlação entre a densidade de energia e o tamanho das gotículas (por exemplo, diâmetro Sauter). Existe uma clara tendência para a diminuição do tamanho das gotículas com o aumento da densidade de energia (clique no gráfico à direita). Com níveis adequados de densidade de energia, os ultra-sons podem atingir, de forma fácil e fiável, tamanhos médios de gotículas na gama nanométrica.
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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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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.