Emulsionare prin cavitație ultrasonică

O gamă largă de produse intermediare și de consum – precum produsele cosmetice, loțiunile pentru piele, unguentele farmaceutice, lacurile, vopselele, lubrifianții și combustibilii – se bazează integral sau parțial pe emulsii.
Hielscher produce cele mai mari procesoare industriale cu ultrasunete pentru lichide din lume, destinate emulsionării eficiente a fluxurilor de volum mare în instalațiile de producție.

Cum funcționează emulsionarea cu ultrasunete

Aplicații de laborator: În laborator, puterea de emulsionare a ultrasunetelor este cunoscută și aplicată de mult timp, datorită multiplelor beneficii asociate omogenizării și emulsionării cu ultrasunete.

Tehnologia

Emulsionarea fiabilă cu ultrasunete se bazează pe utilizarea sondelor ultrasonice, cunoscute și sub denumirea de sonotrode. Procesul se desfășoară după cum urmează:

1. Cuplarea ultrasunetelor: Prin intermediul sondei ultrasonice, ultrasunetele de mare intensitate sunt cuplate în lichide, generând cavitație acustică.
2. Efectul cavitației: Cavitația ultrasonică sau acustică generează forțe de forfecare ridicate, care furnizează energia necesară pentru a fragmenta picăturile mari până la picături de dimensiuni nanometrice.
3. Formarea emulsiei: Două sau mai multe faze lichide sunt amestecate într-o emulsie submicronică sau nanoemulsie uniformă.

 
Scalare industrială prin tehnologia în flux continuu: Utilizarea celulelor de flux ultrasonice permite scalarea liniară până la producția industrială de nanoemulsii, procesând fluxuri de volum mare în regim de flux continuu.

Avantajele emulsionării cu ultrasunete

Emulsionarea cu ultrasunete cu ajutorul unui ultrasonicator cu sondă oferă mai multe avantaje față de alte tehnici de emulsionare:

1. Stabilitate îmbunătățită a emulsiei: Emulsionarea cu ultrasunete produce picături de dimensiuni mai mici și o distribuție mai uniformă a picăturilor, ceea ce duce la o stabilitate îmbunătățită a emulsiei și la un termen de valabilitate mai lung. Picăturile submicronice și nanometrice pot fi produse în mod fiabil cu ajutorul ultrasunetelor de putere.
2. Eficiență energetică: Emulsionarea cu ultrasunete necesită mai puțină energie decât alte metode de emulsionare, ceea ce o face un proces mai eficient din punct de vedere energetic.
3. Scalabilitate: Emulsionarea cu ultrasunete poate fi scalată ușor în sus sau în jos, în funcție de volumul necesar, ceea ce o face un proces versatil atât pentru aplicațiile de laborator, cât și pentru cele industriale.
4. Economie de timp: Emulsionarea cu ultrasunete poate fi un proces foarte rapid, emulsiile formându-se în câteva secunde până la câteva minute, în funcție de lichide, volum și echipament.
5. Necesar redus de surfactanți: Emulsionarea cu ultrasunete poate reduce necesarul de surfactanți, care sunt adesea necesari pentru stabilizarea emulsiilor. Totuși, odată cu reducerea dimensiunii picăturilor, suprafața particulei crește și o suprafață mai mare trebuie acoperită de un surfactant. Ultrasonicarea este compatibilă cu aproape orice tip de surfactant, inclusiv cu emulgatori alternativi și noi.
6. Generare de căldură minimă și controlabilă: Emulsionarea cu ultrasunete este un proces netermic, iar 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 cu ajutorul unui ultrasonicator cu sondă o fac o alegere excelentă pentru emulsionare într-o varietate de domenii, inclusiv industria alimentară și a băuturilor, industria farmaceutică, cosmetică, chimia fină și combustibili.
Aflați mai multe despre emulsionarea maionezei cu ultrasunete!
Aflați mai multe despre producerea emulsiilor de ceară de parafină prin sonicare!
Aflați mai multe despre emulsiile apă-în-motorină produse cu ultrasunete!

Măsurătoarea DLS arată distribuția uniformă a dimensiunii picăturilor unei emulsii de ulei de trandafir în apă produse cu ultrasunete.

Ce este o emulsie?
Emulsiile sunt dispersii a două sau mai multe lichide nemiscibile. Ultrasunetele de mare intensitate furnizează puterea necesară pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersă) sub formă de picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersare, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea unor jeturi de lichid de mare viteză.

Nanoemulsiile – aplicația de putere pentru sonicatoare

Nanoemulsiile sunt emulsii cu picături care au, de regulă, dimensiuni mai mici de 100 de nanometri. Nanoemulsiile oferă mai multe avantaje față de emulsiile convenționale, inclusiv proprietăți funcționale unice, stabilitate mai mare, transparență etc.
Ultrasonicarea depășește tehnologiile tradiționale de emulsionare, în special atunci când este vorba de formarea nanoemulsiilor. Acest lucru se datorează principiului de funcționare extrem de eficient și intens energetic al ultrasunetelor.

Videoclipul de mai jos prezintă procesul de emulsionare a uleiului (galben) în apă (roșu) cu ajutorul ultrasonicatorului de laborator UP400S.

Principiul de funcționare al emulsionării cu ultrasunete

Cavitația acustică: forța motrice a emulsionării și nanoemulsionării cu ultrasunete
Emulsionarea cu ultrasunete se bazează pe efectele puternice ale cavitației acustice, un fenomen care apare atunci când undele ultrasonice de mare intensitate traversează un lichid. În timpul acestui proces, se formează bule microscopice, care cresc și apoi colapsează violent. Colapsul imploziv al acestor bule generează condiții locale extreme, inclusiv gradienți intenși de presiune și temperatură, forțe de forfecare ridicate, unde de șoc și microjeturi de lichid. Aceste forțe descompun eficient particulele, picăturile și aglomeratele mari în structuri mult mai mici.
Imaginea din stânga ilustrează cavitația acustică generată de procesorul cu ultrasunete UIP1000hdT (1000 W) care funcționează într-o coloană de sticlă umplută cu lichid.

Cum îmbunătățește cavitația acustică emulsionarea

Atât în emulsionare, cât și în nanoemulsionare, intensitatea cavitației este un factor cheie în determinarea dimensiunii picăturilor. Pe măsură ce bulele de cavitație colapsează, forțele de forfecare rezultate fragmentează picăturile mai mari în picături din ce în ce mai mici. În același timp, variațiile locale de presiune și temperatură favorizează formarea de noi picături, contribuind totodată la stabilizarea emulsiei.
Această combinație de fragmentare și stabilizare a picăturilor permite tehnologiei cu ultrasunete să producă emulsii foarte uniforme, cu distribuții excepțional de fine ale dimensiunii picăturilor.

Distribuția dimensiunii picăturilor în emulsiile apă-ulei de măsline preparate prin (a) metoda clasică de omogenizare (b) metoda de omogenizare cu ultrasunete (folosind UP400S) cu MD, WPI și amestecul acestora, având 40% substanță uscată cu un conținut de 9% ulei (w/w). Emulsionarea cu ultrasunete are ca rezultat picături semnificativ mai mici, o smântânire mai redusă și o stabilitate generală mai bună a emulsiei.
(studiu și grafice: Zungur et al., 2015)

Sonde ultrasonice pentru emulsionare eficientă

Hielscher oferă o gamă largă de ultrasonicatoare cu sondă și accesorii pentru emulsionarea și dispersarea eficientă a lichidelor în regim discontinuu (batch) și în flux continuu.
Sistemele formate din mai multe procesoare cu ultrasunete de până la 16.000 de wați fiecare oferă capacitatea necesară pentru a transpune această aplicație de laborator într-o metodă de producție eficientă, în vederea obținerii unor emulsii fin dispersate în flux continuu sau în șarje – obținând rezultate comparabile cu cele ale celor mai bune omogenizatoare de înaltă presiune disponibile în prezent, precum noua supapă cu orificiu. Pe lângă această eficiență ridicată în emulsionarea continuă, dispozitivele cu ultrasunete Hielscher necesită foarte puțină întreținere și sunt foarte ușor de operat și de curățat. De fapt, ultrasunetele sprijină chiar curățarea și clătirea. Puterea ultrasonică este reglabilă și poate fi adaptată produselor specifice și cerințelor de emulsionare. Sunt disponibile, de asemenea, reactoare speciale cu celulă de flux care îndeplinesc cerințele avansate CIP (curățare la fața locului) și SIP (sterilizare la fața locului).

MultiphaseCavitator (MPC48)
MultiphaseCavitator este un accesoriu puternic, compatibil cu reactoarele ultrasonice cu celulă de flux Hielscher: cu ajutorul inserției MPC48, faza dispersă este injectată prin 48 de canule sub formă de fire subțiri de lichid în zona fierbinte ultrasonică, unde faza dispersă și faza continuă sunt amestecate sub formă de picături minuscule într-o nanoemulsie.
Descoperiți cum îmbunătățește MultiphaseCavitator emulsionarea!

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.
• The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics