Emulsionarea prin cavitație cu ultrasunete
O gamă largă de produse intermediare și de consum, cum ar fi produsele cosmetice și loțiunile pentru piele, unguentele farmaceutice, lacurile, vopselele, lubrifianții și combustibilii se bazează integral sau parțial pe emulsii. Hielscher produce cele mai mari procesoare industriale de lichid cu ultrasunete din lume pentru emulsionarea eficientă a fluxurilor de volum mare în fabricile de producție.
Emulsionare cu ultrasunete
În laborator, puterea de emulsionare a ultrasunetelor a fost cunoscută și aplicată de mult timp datorită diferitelor beneficii care sunt legate de omogenizarea și emulsionarea cu ultrasunete. Emulsionarea cu ultrasunete fiabilă se bazează pe utilizarea sondelor cu ultrasunete, așa-numitele sonotrodes. Prin intermediul sondei cu ultrasunete, ultrasunetele de înaltă intensitate sunt cuplate în lichide și creează cavitație acustică. Cavitația ultrasonică sau acustică generează forțe mari de forfecare, care furnizează energia necesară pentru a perturba picăturile mari până la picături de dimensiuni nano. Astfel, două sau mai multe faze lichide sunt amestecate într-o emulsie uniformă submicronică sau nano.
Utilizarea celulelor de flux cu ultrasunete permite scalarea liniară până la producția industrială de nanoemulsii de prelucrare a fluxurilor de volum mare în flux continuu.
MultiPhaseCavitator: Inserția unică a celulelor de flux Hielscher MPC48 este un accesoriu puternic compatibil cu reactoarele cu celule de flux cu ultrasunete Hielscher. Folosind inserția MPC48, faza dispersată este injectată prin 48 canule ca fire subțiri de lichid în zona fierbinte cu ultrasunete, în cazul în care faza dispersată și faza continuă sunt amestecate ca picături minute într-o nanoemulsie. Citiți mai multe despre inserția cu ultrasunete a celulelor de flux MPC48!
Ultrasonicators sunt fiabile și eficiente în producerea de emulsii submicronice și nano-dimensiune.
Avantajele emulsionării cu ultrasunete
Emulsionarea cu ultrasunete folosind un ultrasonicator de tip sondă oferă mai multe avantaje față de alte tehnici de emulsionare:
- Stabilitate îmbunătățită a emulsiei: Emulsionarea cu ultrasunete creează dimensiuni mai mici ale picăturilor și o distribuție mai uniformă a picăturilor, rezultând o stabilitate îmbunătățită a emulsiei și o durată de depozitare mai lungă. Picăturile de dimensiuni submicronice și nano pot fi produse în mod fiabil folosind ultrasunete de putere.
- Eficiență energetică: Emulsionarea cu ultrasunete necesită mai puțină energie decât alte metode de emulsionare, făcându-l un proces mai eficient din punct de vedere energetic.
- Scalabilitate: Emulsionarea cu ultrasunete poate fi ușor scalată în sus sau în jos, în funcție de volumul necesar, făcându-l un proces versatil atât pentru aplicații de laborator, cât și pentru aplicații industriale.
- Economie de timp: Emulsionarea cu ultrasunete poate fi un proces foarte rapid, cu emulsii care se formează în câteva secunde până la minute, în funcție de lichide, volum și echipament.
- Reducerea nevoii de agenți tensioactivi: Emulsionarea cu ultrasunete poate reduce nevoia de agenți tensioactivi, care sunt adesea necesare pentru stabilizarea emulsiilor. Cu toate acestea, cu o dimensiune redusă a picăturilor, suprafața particulei este mărită și o suprafață mai mare trebuie acoperită de un agent tensioactiv. Ultrasonication este compatibil cu aproape orice fel de agent tensioactiv, inclusiv emulgatori alternativi și noi.
- Generare de căldură minimă și controlabilă: Emulsionarea cu ultrasunete este un proces non-termic și generarea de căldură în timpul procesării poate fi evitată sau redusă într-o mică măsură. Astfel, riscul de degradare termică a compușilor sau ingredientelor sensibile este redus.
Avantajele emulsionării cu ultrasunete folosind un ultrasonicator de tip sondă îl fac o alegere excelentă pentru emulsionare într-o varietate de domenii, inclusiv alimente și băuturi, produse farmaceutice, produse cosmetice, produse chimice fine și combustibili.
Citiți mai multe despre emulsionarea maionezei cu ultrasunete!
Citiți mai multe despre producția de emulsii de ceară de parafină folosind sonicare!
Citiți mai multe despre Emulsii apă-în-diesel produse folosind ultrasunete!
Prepararea cu ultrasunete a unui ulei-în-apă (O / W) emulsie (apă roșie / ulei galben). Câteva secunde de sonicare transforma fazele separate de apă / ulei într-o emulsie fină.
Videoclipul de mai jos arată procesul de emulsionare a uleiului (galben) în apă (roșu) prin utilizarea ultrasonicator de laborator UP400S.
Ce este o emulsie?Emulsiile sunt dispersii de două sau mai multe lichide nemiscibile. Ultrasunetele foarte intensive furnizează puterea necesară pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersată) în picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersie, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea de jeturi lichide cu viteză mare a lichidului.
Miniemulsii, care pot fi create eficient prin ultrasonication, spori reacțiile chimice. Polimerizarea macroemulsiei (a) versus polimerizarea miniemulsiei (b) [Schork et al. 2005: 136]
nano-emulsii – O aplicație de alimentare pentru ultrasonicators
Nanoemulsiile sunt emulsii cu picături care au de obicei o dimensiune mai mică de 100 nanometri. Nanoemulsiile oferă mai multe avantaje față de emulsiile convenționale, inclusiv proprietăți funcționale unice, stabilitate mai mare, transparență etc.
Ultrasonication depășește tehnologiile tradiționale de emulsionare, mai ales atunci când vine vorba de formarea de nanoemulsii. Acest lucru se datorează principiului de lucru extrem de eficient și intens energetic al ultrasunetelor.
Principiul de lucru al emulsionării cu ultrasunete
Procesele de emulsionare cu ultrasunete utilizează forțele cavitației acustice. Cavitația acustică se referă la fenomenul de formare, creștere și colaps imploziv al bulelor mici într-un mediu lichid supus undelor cu ultrasunete de înaltă intensitate. Implozia acestor bule generează gradienți locali intensi de presiune și temperatură, care pot crea forțe de forfecare ridicate, unde de șoc și micro-jeturi care pot descompune particule mari și aglomerate în particule mai mici. Imaginea din stânga demonstrează cavitație cu ultrasunete generate la sonda ultrasonicator UIP1000hdT (1000 wați) într-o coloană de sticlă umplută cu lichid.
În emulsionare și nano-emulsionare, intensitatea cavitației acustice joacă un rol critic în reducerea dimensiunii picăturilor din emulsie. Colapsul imploziv al bulelor de cavitație poate crea forțe puternice de forfecare care descompun picăturile mai mari în cele mai mici. Mai mult, gradienții locali de presiune și temperatură generați de cavitație pot promova, de asemenea, formarea de noi picături și stabilizarea emulsiei.
Aspectul unic al cavitației acustice este capacitatea sa de a furniza un aport de energie localizat și intens mediului lichid, fără a fi nevoie de solicitări mecanice sau termice ridicate. Acest lucru îl face o tehnică atractivă pentru nano-emulsionare, deoarece poate reduce aportul de energie necesar pentru procesul de emulsionare, obținând în același timp o dimensiune mai mică a picăturilor și o distribuție mai restrânsă a dimensiunii picăturilor.
Datorită acestor forțe ultrasonice controlabile cu precizie, cavitația acustică este un instrument puternic pentru nano-emulsionare. Capacitatea sa de a genera un aport de energie localizat și intens permite descompunerea picăturilor mai mari, formând picături submicronice și nano la o eficiență foarte ridicată.
Studiile la emulsiile ulei în apă (faza apă) și apă în ulei (faza uleioasă) au arătat corelația dintre densitatea energetică și dimensiunea picăturii (de exemplu, diametrul sauterului). Există o tendință clară pentru dimensiuni mai mici ale picăturilor la creșterea densității energetice (click pe graficul din dreapta). La niveluri adecvate de densitate energetică, ultrasunetele pot atinge ușor și fiabil dimensiunile medii ale picăturilor în gama nano.
Sonde cu ultrasunete pentru emulsionare eficientă
Hielscher oferă o gamă largă de ultrasonicators de tip sondă și accesorii pentru emulsionarea eficientă și dispersarea lichidelor în modul lot și flux.
Sistemele constând din mai multe procesoare cu ultrasunete de până la 16.000 wați fiecare, oferă capacitatea necesară pentru a traduce această aplicație de laborator într-o metodă eficientă de producție pentru a obține emulsii fin dispersate în flux continuu sau într-un lot – obținerea unor rezultate comparabile cu cele ale celor mai bune omogenizatoare de înaltă presiune disponibile astăzi, cum ar fi noua supapă cu orificiu. În plus față de această eficiență ridicată în emulsionarea continuă, Hielscher dispozitive cu ultrasunete necesită întreținere foarte scăzută și sunt foarte ușor de operat și de curățat. Ultrasunetele susțin de fapt curățarea și clătirea. Puterea cu ultrasunete este reglabilă și poate fi adaptată la anumite produse și cerințe de emulsionare. Sunt disponibile, de asemenea, reactoare speciale cu celule de flux care îndeplinesc cerințele avansate CIP (clean-in-place) și SIP (sterilizare pe loc).
MultiSonoReactor MSR-4 este un reactor industrial de omogenizare inline potrivit pentru procesele de (nano-)emulsionare cu randamente ridicate.
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 00,5 până la 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| 15 până la 150L | 3 până la 15L / min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Literatură / Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
Definiția termenului “emulsie”
O emulsie este un amestec de două sau mai multe lichide nemiscibile, cum ar fi uleiul și apa.
Emulsiile pot fi fie ulei-în-apă (în cazul în care picăturile de ulei sunt dispersate în apă), fie apă-în-ulei (în cazul în care picăturile de apă sunt dispersate în ulei). Emulsiile sunt utilizate într-o varietate de aplicații, inclusiv produse alimentare (cum ar fi sosuri pentru salate și maioneză), produse cosmetice (cum ar fi loțiuni și creme) și produse farmaceutice (cum ar fi vaccinurile).
Un emulgator funcționează prin reducerea tensiunii superficiale dintre cele două substanțe nemiscibile (cum ar fi uleiul și apa) într-o emulsie. Acest lucru reduce tendința celor două substanțe de a se separa și le permite să formeze un amestec stabil.
Cum se face o emulsie stabilă?
O emulsie este stabilă prin împiedicarea fazei dispersate (picături dintr-un lichid) să se coaguleze și să se separe de faza continuă (lichidul înconjurător). Trebuie luate în considerare mai multe puncte cheie pentru a obține stabilitatea emulsiilor:
- Emulgatori (agenți tensioactivi):
– Rol: Emulgatorii sunt molecule care au atât capete hidrofile (care atrag apa), cât și hidrofobe (resping apa).
– Acțiune: Acestea reduc tensiunea superficială dintre cele două lichide nemiscibile și formează un strat protector în jurul picăturilor, împiedicându-le să se coaguleze.
– Exemple: Lecitină, polisorbați și lactilat de stearoyl de sodiu. - Metode mecanice:
Mixaj de înaltă performanță: Folosind mixere sau omogenizatoare cu forfecare mare pentru a rupe picăturile în dimensiuni mai mici, mărind suprafața și îmbunătățind stabilitatea. Sonda de tip sonicator sunt o metodă excelentă și foarte fiabilă folosind forțe de forfecare sonomecanice. Aceste forțe de forfecare cu ultrasunete sparg picături mari în picături minute și amestecarea fazelor nemiscibile într-o emulsie stabilă. - Modificatori de vâscozitate:
Îngroșare: Creșterea vâscozității fazei continue poate încetini mișcarea picăturilor, reducând probabilitatea coalescenței.
– Exemple: Gumă xantan, gumă guar și carboximetilceluloză. - Agenți de stabilizare:
– Polimeri: Polimerii pot asigura stabilizarea sterică prin formarea unui strat gros în jurul picăturilor.
– Exemple: Pectină, gelatină și anumite proteine. - Stabilizare electrostatică:
– Acuzare: Unii emulgatori conferă o sarcină electrică suprafeței picăturilor, determinându-le să se respingă reciproc și reducând astfel coalescența.
– Exemple: Cazeinat de sodiu și lecitină din soia. - Controlul temperaturii:
– Răcire: Scăderea temperaturii poate crește vâscozitatea fazei continue și poate reduce energia cinetică a picăturilor, prevenind coalescența.
– Evitarea separării fazelor: Asigurarea temperaturii rămâne într-un interval care împiedică separarea componentelor. - Aditivi:
– Antioxidanti: Prevenirea oxidării poate ajuta la menținerea integrității emulgatorului și a altor componente.
– Agenți chelatori: Legarea ionilor metalici care altfel ar putea destabiliza emulsia.
Aplicând tehnica potrivită de emulsionare, emulsiile pot fi făcute stabile, asigurându-se că amestecul rămâne omogen și își păstrează proprietățile dorite în timp.
Emulgatori stabilizatori
În general, emulsiile necesită stabilizare folosind un agent de emulsionare sau un agent tensioactiv. Emulgatorii sunt amfifili – atrag atât apă, cât și substanțe grase. Aceasta înseamnă că au proprietăți hidrofile (iubitoare de apă) și hidrofobe (iubitoare de ulei), ceea ce le permite să interacționeze atât cu fazele uleioase, cât și cu cele de apă ale emulsiei. Partea hidrofilă a moleculei emulgatoare se atașează moleculelor de apă, în timp ce partea hidrofobă se atașează moleculelor de ulei.
Prin înconjurarea picăturilor de ulei cu molecule de emulgator, emulgatorul creează un strat protector în jurul picăturilor care le împiedică să intre în contact între ele și să se unească pentru a forma picături mai mari. Acest lucru ajută la menținerea emulsiei stabile și previne separarea.
Deoarece coalescența picăturilor după întrerupere influențează distribuția finală a dimensiunii picăturilor, emulgatorii stabilizatori eficienți sunt utilizați pentru a menține distribuția finală a dimensiunii picăturilor la un nivel egal cu distribuția imediat după întreruperea picăturilor în zona de dispersie cu ultrasunete. Stabilizatorii duc de fapt la o întrerupere îmbunătățită a picăturilor la o densitate constantă de energie.
Exemple de emulgatori utilizate în mod obișnuit includ lecitina (care se găsește în gălbenușuri de ou și soia), mono- și digliceride, polisorbat 80, și lactilat de sodiu stearoyl.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.