Emulsionarea prin cavitație cu ultrasunete
O gamă largă de produse intermediare și de larg consum – cum ar fi produsele cosmetice, loțiunile pentru piele, unguentele farmaceutice, lacurile, vopselele, lubrifianții și combustibilii – se bazează în totalitate sau parțial pe emulsii.
Hielscher produce cele mai mari procesoare industriale cu ultrasunete din lume pentru emulsificarea eficientă a fluxurilor de volum mare în unitățile de producție.
Cum funcționează emulsificarea cu ultrasunete
Aplicații de laborator: În mediul de laborator, capacitatea de emulsificare a ultrasunetelor este cunoscută și utilizată de mult timp, datorită numeroaselor avantaje asociate omogenizării și emulsificării cu ultrasunete.
Tehnologia
Emulsificarea fiabilă cu ultrasunete se bazează pe utilizarea sondelor cu ultrasunete, cunoscute și sub denumirea de sonotrode. Procesul funcționează după cum urmează:
- Cuplaj pentru ultrasunete: Prin intermediul sondei cu ultrasunete, undele ultrasonice de intensitate ridicată sunt transmise în lichide, generând cavitație acustică.
- Efectul de cavitație: Cavitația ultrasonică sau acustică generează forțe de forfecare ridicate, care furnizează energia necesară pentru a fragmenta picăturile mari în picături de dimensiuni nanometrice.
- Formarea emulsiei: Două sau mai multe faze lichide sunt amestecate pentru a forma o subemulsie uniformă de dimensiuni submicronice sau nanometrice.
Extinderea la scară industrială prin tehnologia de flux continuu: Utilizarea celulelor de curgere cu ultrasunete permite o extindere liniară până la producția industrială de nanoemulsii, prin prelucrarea unor fluxuri de volum mare în regim continuu.
Prepararea prin ultrasunete a unei nanoemulsii transparente cu ajutorul aparatului cu ultrasunete UP400ST.
Avantajele emulsificării 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!
Măsurarea DLS evidențiază distribuția uniformă a dimensiunilor picăturilor într-o emulsie ulei de trandafir în apă obținută prin ultrasunete.
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.
nano-emulsii – Aplicații ale ultrasonicelor
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.
Videoclipul de mai jos arată procesul de emulsionare a uleiului (galben) în apă (roșu) prin utilizarea ultrasonicator de laborator UP400S.
Principiul de lucru al emulsionării cu ultrasunete
Cavitația acustică: forța motrice din spatele emulsificării cu ultrasunete și a nanoemulsificării
Emulsificarea cu ultrasunete se bazează pe efectele puternice ale cavitației acustice, un fenomen care are loc atunci când undele ultrasonice de intensitate ridicată traversează un lichid. În timpul acestui proces, se formează bule microscopice, care cresc și apoi se sparg violent. Prăbușirea implozivă a acestor bule generează condiții localizate extreme, inclusiv gradienți intensi de presiune și temperatură, forțe de forfecare ridicate, unde de șoc și micro-jeturi de lichid. Aceste forțe descompun eficient particulele mari, picăturile și aglomeratele 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 procesul de emulsificare
Atât în cazul emulsificării, cât și al nanoemulsificării, intensitatea cavitației este un factor cheie în determinarea dimensiunii picăturilor. Pe măsură ce bulele de cavitație se sparg, forțele de forfecare rezultate fragmentează picăturile mai mari în picături din ce în ce mai mici. În același timp, variațiile localizate de presiune și temperatură favorizează formarea de noi picături, contribuind totodată la stabilizarea emulsiei.
Această combinație între fragmentarea și stabilizarea picăturilor permite tehnologiei cu ultrasunete să producă emulsii extrem de omogene, cu distribuții excepționale ale dimensiunilor picăturilor.
Distribuția dimensiunilor picăturilor în emulsiile de apă și ulei de măsline preparate prin (a) metoda clasică de omogenizare și (b) metoda de omogenizare cu ultrasunete (utilizând aparatul UP400S), cu MD, WPI și amestecul acestora, având un conținut de substanță uscată de 40% și un conținut de ulei de 9% (g/g). Emulsificarea cu ultrasunete are ca rezultat picături semnificativ mai mici, o separare mai redusă a fazelor și o stabilitate generală mai bună a emulsiei.
(studiu și grafice: Zungur et al., 2015)
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!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator este un accesoriu performant compatibil cu reactoarele cu celulă de flux ultrasonică Hielscher: prin utilizarea insertului MPC48, faza dispersată este injectată sub formă de fire subțiri de lichid prin 48 de canule în zona fierbinte ultrasonică, unde faza dispersată și faza continuă se amestecă sub formă de picături minuscule, formând o nanoemulsie.
Descoperă cum îmbunătățește MultiPhaseCavitator procesul de emulsificare!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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 corectă 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.
Miniemulsii, care pot fi create eficient prin ultrasonication, spori reacțiile chimice. Polimerizarea macroemulsiei (a) versus polimerizarea miniemulsiei (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.