Emulsificação por cavitação ultrassónica
Uma vasta gama de produtos intermédios e de consumo – como cosméticos, loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas, lubrificantes e combustíveis – baseia-se total ou parcialmente em emulsões.
A Hielscher fabrica os maiores processadores ultrassónicos industriais de líquidos do mundo para a emulsificação eficiente de fluxos de grande volume em instalações de produção.
Como funciona a emulsificação ultrassónica
Aplicações laboratoriais: Em contexto laboratorial, o poder de emulsificação dos ultrassons é conhecido e aplicado há muito tempo devido aos vários benefícios associados à homogeneização e à emulsificação ultrassónicas.
A tecnologia
A emulsificação ultrassónica fiável baseia-se na utilização de sondas ultrassónicas, também conhecidas como sonotrodos. O processo funciona da seguinte forma:
- Acoplamento de ultrassons: Através da sonda ultrassónica, os ultrassons de alta intensidade são acoplados aos líquidos, criando cavitação acústica.
- Efeito da cavitação: A cavitação ultrassónica ou acústica gera forças de cisalhamento elevadas, que fornecem a energia necessária para fragmentar gotículas grandes em gotículas de dimensão nanométrica.
- Formação da emulsão: Duas ou mais fases líquidas são misturadas para formar uma emulsão submicrométrica ou uma nanoemulsão uniforme.
Aumento de 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 fluxo contínuo.
Preparação ultrassónica de uma nanoemulsão límpida utilizando o sonicador UP400ST.
As vantagens da emulsificação ultrassónica
A emulsificação ultrassónica com um sonicador de sonda oferece várias vantagens em relação a outras técnicas de emulsificação:
- Maior estabilidade da emulsão: A emulsificação ultrassónica cria gotículas mais pequenas e uma distribuição mais uniforme das gotículas, resultando numa maior estabilidade da emulsão e num prazo de conservação mais longo. Os ultrassons de potência permitem produzir de forma fiável gotículas de dimensão submicrométrica e nanométrica.
- Eficiência energética: A emulsificação ultrassónica requer menos energia do que outros métodos de emulsificação, tornando-a um processo energeticamente mais eficiente.
- Escalabilidade: A escala da emulsificação ultrassónica pode ser facilmente aumentada ou reduzida em função do volume necessário, tornando-a um processo versátil tanto para aplicações laboratoriais como industriais.
- Poupança de tempo: A emulsificação ultrassónica pode ser um processo muito rápido, com emulsões a formarem-se em segundos a minutos, dependendo dos líquidos, do volume e do equipamento.
- Menor necessidade de tensioativos: A emulsificação ultrassónica pode reduzir a necessidade de tensioativos, que são frequentemente necessários para estabilizar as emulsões. No entanto, ao reduzir o tamanho das gotículas, a área superficial da partícula aumenta e é necessário cobrir uma área maior com um tensioativo. A sonicação é compatível com quase todos os tipos de tensioativos, incluindo emulsionantes alternativos e novos.
- Geração de calor mínima e controlável: A emulsificação ultrassónica é um processo não térmico e a geração de calor durante o processamento pode ser evitada ou reduzida a um nível baixo. Deste modo, reduz-se o risco de degradação térmica de compostos ou ingredientes sensíveis.
As vantagens da emulsificação ultrassónica com um sonicador de sonda tornam-na uma excelente escolha para a emulsificação em vários setores, incluindo alimentos e bebidas, produtos farmacêuticos, cosméticos, produtos de química fina e combustíveis.
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O que é uma emulsão?As emulsões são dispersões de dois ou mais líquidos imiscíveis. Os ultrassons de intensidade muito elevada fornecem a potência necessária para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas numa segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, as bolhas de cavitação que implodem provocam ondas de choque intensas no líquido circundante e resultam na formação de jatos de líquido a elevada velocidade.
Nanoemulsões – uma aplicação poderosa para sonicadores
As nanoemulsões são emulsões com gotículas cujo tamanho é tipicamente inferior a 100 nanómetros. As nanoemulsões oferecem várias vantagens em relação às emulsões convencionais, incluindo propriedades funcionais únicas, maior estabilidade, transparência, etc.
A sonicação supera as tecnologias tradicionais de emulsificação, especialmente no que diz respeito à formação de nanoemulsões. Isto deve-se ao princípio de funcionamento dos ultrassons, que é altamente eficiente e energeticamente intenso.
O vídeo abaixo mostra o processo de emulsificação de óleo (amarelo) em água (vermelho) utilizando o sonicador laboratorial UP400S.
Princípio de funcionamento da emulsificação ultrassónica
Cavitação acústica: a força motriz da emulsificação e da nanoemulsificação ultrassónicas
A emulsificação ultrassónica baseia-se nos poderosos efeitos da cavitação acústica, um fenómeno que ocorre quando ondas ultrassónicas de alta intensidade atravessam um líquido. Durante este processo, formam-se bolhas microscópicas que crescem e depois colapsam violentamente. O colapso implosivo destas bolhas gera condições localizadas extremas, incluindo gradientes intensos de pressão e temperatura, forças de cisalhamento elevadas, ondas de choque e microjatos de líquido. Estas forças fragmentam eficazmente partículas grandes, gotículas e aglomerados em estruturas muito mais pequenas.
A imagem à esquerda ilustra a cavitação acústica gerada pelo processador ultrassónico UIP1000hdT (1000 W) a funcionar 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 fundamental para determinar o tamanho das gotículas. À medida que as bolhas de cavitação colapsam, as forças de cisalhamento resultantes fragmentam as gotículas maiores em gotículas cada vez mais pequenas. Ao mesmo tempo, as alterações localizadas de pressão e temperatura promovem a formação de novas gotículas e ajudam a estabilizar a emulsão.
Esta combinação de fragmentação e estabilização das gotículas permite que a tecnologia ultrassónica produza emulsões altamente uniformes com distribuições de tamanho de gotículas excecionalmente finas.
Distribuição do tamanho das gotículas de emulsões de água e azeite preparadas pelo método (a) de homogeneização clássica e pelo método (b) de homogeneização ultrassónica (utilizando o UP400S) com MD, WPI e a sua mistura, com 40% de matéria seca e um teor de óleo de 9% (w/w). A emulsificação ultrassónica resulta em gotículas significativamente mais pequenas, menor formação de nata e melhor estabilidade global da emulsão.
(estudo e gráficos: Zungur et al., 2015)
Sondas ultrassónicas para uma emulsificação eficiente
A Hielscher oferece uma vasta gama de sonicadores de sonda e acessórios para a emulsificação e dispersão eficientes de líquidos em modo descontínuo e em fluxo contínuo.
Os sistemas compostos por vários processadores ultrassónicos de até 16 000 watts cada fornecem a capacidade necessária para transformar esta aplicação laboratorial num método de produção eficiente que permite obter emulsões finamente dispersas em fluxo contínuo ou por lotes – alcançando resultados comparáveis aos dos melhores homogeneizadores de alta pressão atualmente disponíveis, como a nova válvula de orifício. Além desta elevada eficiência na emulsificação contínua, os dispositivos ultrassónicos Hielscher requerem muito pouca manutenção e são muito fáceis de operar e de limpar. Os ultrassons ajudam efetivamente na limpeza e no enxaguamento. A potência ultrassónica é ajustável e pode ser adaptada a produtos específicos e aos requisitos de emulsificação. Também estão disponíveis reatores especiais de célula de fluxo que cumprem 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 elevadas capacidades de processamento.
| Volume do lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5mL | não aplicável | 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 |
| não aplicável | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| não aplicável | superior | conjunto de UIP16000 |
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MultiPhaseCavitator (MPC48)
O MultiPhaseCavitator é um acessório potente compatível com os reatores de célula de fluxo ultrassónicos Hielscher: utilizando o inserto MPC48, a fase dispersa é injetada através de 48 cânulas sob a forma de finos filamentos de líquido na zona quente ultrassónica, onde a fase dispersa e a fase contínua são misturadas sob a forma de gotículas minúsculas para formar uma nanoemulsão.
Descubra como o MultiPhaseCavitator melhora a emulsificação!
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Bibliografia / 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
Informações úteis
Definição do termo “emulsão”
Uma emulsão é uma mistura de dois ou mais líquidos imiscíveis, como óleo e água.
As emulsões podem ser de óleo em água (em que as gotículas de óleo estão dispersas em água) ou de 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 saladas e maionese), cosméticos (como loções e cremes) e produtos farmacêuticos (como vacinas).
Um emulsionante atua reduzindo a tensão superficial entre as duas substâncias imiscíveis (como óleo e água) numa emulsão. Isto reduz a tendência das duas substâncias para se separarem e permite-lhes formar uma mistura estável.
Como se torna uma emulsão estável?
Uma emulsão torna-se estável ao impedir que a fase dispersa (gotículas de um líquido) coalesça e se separe da fase contínua (o líquido circundante). Para obter estabilidade nas emulsões, devem ser considerados vários pontos fundamentais:
- Emulsionantes (tensioativos):
– Função: Os emulsionantes são moléculas que possuem 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 em torno das gotículas, impedindo a sua coalescência.
– Exemplos: Lecitina, polissorbatos e estearoil lactilato de sódio. - Métodos mecânicos:
Mistura de elevado desempenho: Utilização de misturadores de elevado cisalhamento ou homogeneizadores para fragmentar as gotículas em tamanhos mais pequenos, aumentando a área superficial e melhorando a estabilidade. Os sonicadores de sonda constituem um método excelente e muito fiável que utiliza forças de cisalhamento sonomecânicas. Estas forças de cisalhamento ultrassónicas fragmentam as gotículas grandes em gotículas minúsculas e misturam as fases imiscíveis para formar uma 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 guar e carboximetilcelulose. - Agentes estabilizadores:
– Polímeros: Os polímeros podem proporcionar estabilização estérica ao formar uma camada espessa em torno das gotículas.
– Exemplos: Pectina, gelatina e determinadas proteínas. - Estabilização eletrostática:
– Carga: Alguns emulsionantes conferem uma carga elétrica à superfície das gotículas, fazendo com que se repilam mutuamente 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, impedindo a coalescência.
– Prevenção da separação de fases: Garantir 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 dos outros componentes.
– Agentes quelantes: Ligação de iões metálicos que, de outro modo, poderiam desestabilizar a emulsão.
Aplicando a técnica de emulsificação adequada, as emulsões podem tornar-se estáveis, garantindo que a mistura permanece homogénea e mantém as propriedades desejadas ao longo do tempo.
Emulsionantes estabilizadores
Em geral, as emulsões requerem estabilização através de um agente emulsionante ou tensioativo. Os emulsionantes são anfifílicos – atraem tanto a água como as substâncias gordas. Isto significa que possuem propriedades hidrofílicas (com afinidade pela água) e hidrofóbicas (com afinidade pelo óleo), o que lhes permite interagir tanto com a fase oleosa como com a fase aquosa 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 envolver as gotículas de óleo com moléculas de emulsionante, o emulsionante cria uma camada protetora em torno das gotículas que as impede de entrarem em contacto umas com as outras e de coalescerem (se unirem) para formar gotículas maiores. Isto ajuda a manter a emulsão estável e impede a separação.
Como a coalescência das gotículas após a fragmentação influencia a distribuição final do tamanho das gotículas, utilizam-se emulsionantes com ação estabilizadora eficiente para manter a distribuição final do tamanho das gotículas num nível igual ao da distribuição imediatamente após a fragmentação das gotículas na zona de dispersão ultrassónica. Os estabilizadores conduzem efetivamente a uma melhor fragmentação das gotículas com uma densidade de energia constante.
Exemplos de emulsionantes habitualmente utilizados incluem lecitina (presente nas gemas de ovo e nos grãos de soja), mono e diglicéridos, polissorbato 80 e estearoil lactilato de sódio.
As miniemulsões, que podem ser criadas eficientemente por sonicação, melhoram as reações químicas. Polimerização em macroemulsão (a) versus polimerização em miniemulsão (b) [Schork et al. 2005: 136]
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho desde a escala laboratorial até à escala industrial.