O emulsie constă din două lichide nemiscibile, care sunt dispersate fin unul în celălalt. Pentru emulsiile de apă uleioase, faza uleioasă (faza dispersată) este amestecată uniform în faza apoasă (faza continuă). Emulgatori cu ultrasunete sunt bine stabilite pentru a pregăti emulsii ulei-în-apă și nano-emulsii. Emulsiile cu ultrasunete excelează prin dispersia uniformă a picăturilor și stabilitatea pe termen lung, prin urmare, fiind utilizate pe scară largă în laboratoare și industrie.

Emulsii cu ultrasunete ulei-în-apă

Emulsiile de ulei în apă (O/W) sunt utilizate pe scară largă în multe produse de consum, ar fi alimentele, băuturile, produsele cosmetice, produsele farmaceutice etc., precum și în industrie (de exemplu, știința materialelor, polimeri, vopsele, acoperiri, chimie fină etc.).

Definiția emulsiei ulei-în-apă

O emulsie ulei-în-apă este un amestec în care o fază uleioasă este dispersată în apă sau un alt lichid apos. Picăturile mici de ulei sunt dispersate fin în faza de apă (faza continuă) pentru a crea această emulsie ulei-în-apă. Dacă uleiul (faza dispersată) este dispersat în apă (fază continuă), este o emulsie ulei-în-apă; în cazul în care picăturile de apă sunt adăugate într-o fază continuă uleioasă, se numește emulsie apă-în-ulei.
Pentru emulsiile ulei-în-apă, calitatea emulsiei rezultate depinde de formulare (raportul ulei:apă, agent de emulsionare) și de tehnica de emulsionare. Emulgatorii cu ultrasunete folosesc cavitație acustică, care se caracterizează prin forțe intense de forfecare ridicată și turbulențe în lichid. Aceste forțe extrem de intense perturbă cele două faze lichide nemiscibile în picături minute și le amestecă uniform între ele. Emulsionarea cu ultrasunete poate genera cu ușurință particule de dimensiuni nano cu dimensiuni de picături de până la 10nm. Dimensiunea picăturilor foarte mici și distribuția omogenă, chiar și dimensiunea picăturilor de emulsii preparate cu ultrasunete transformă sonicare în tehnica preferată de emulsionare.
 

Curba incaltaminte distribuția picăturilor la scară nanometrică a unei nanoemulsii ulei-în-apă dispersate cu ultrasunete. Această emulsie cu ultrasunete constă în ulei esențial de mentă emulsionat într-o fază continuă de apă.

Beneficiile emulsificării cu ultrasunete

Emulsionarea cu ultrasunete excelează alte tehnici de emulsionare, ar fi omogenizarea de înaltă presiune, amestecarea de înaltă forfecare și microfluidizarea prin eficiență, producția consecventă de nano-picături, stabilitatea de înaltă emulsie și capacitatea de a trata orice volum de la tuburi mici și pahare de baie la fluxuri mari.
De exemplu, Li și Xiang (2019) au arătat în studiul lor comparativ de omogenizare de înaltă presiune și emulsificare cu ultrasunete că ultrasonicare randamentele în emulsii mai uniforme, stabile. Agregarea în emulsiile de ulei de nucă de cocos în apă a apărut numai după ce a fost supusă omogenizării de înaltă presiune, în timp ce emulsia realizată prin emulsificare cu ultrasunete a rămas stabilă timp de 30 de zile de depozitare.
În comparație cu agitația mecanică, emulsiile preparate prin tehnica ultrasonică s-au dovedit a fi mai stabile pentru o durată mai lungă de timp în comparație cu emulsiile pregătite prin agitație mecanică care pot fi atribuite dimensiunii picăturilor mici, care este stabilizată termodinamic. Tehnica cu ultrasunete da emulsii mai stabile decât metoda convențională de agitație mecanică. (vezi Ramisetty și Shyamsunder, 2011)
O'Sullivan et al. (2015) arată în studiul lor că emulsionarea cu ultrasunete a produs în mod constant emulsii submicron (mai puțin de 200 nm). Cu toate acestea, nanoemulele cu dimensiunea uniformă a picăturilor de 10nm pot fi realizate cu ușurință și fiabil în condiții optimizate. Dimensiunea picăturilor de emulsii produse cu ultrasunete este o funcție de timp de procesare și amplitudine cu ultrasunete atât pentru prelucrarea lot și continuu.

Pregătirea cu ultrasunete a unei emulsii de ulei în apă (O/W) (apă roșie / ulei galben). Câteva secunde de sonicare transforma separat apă / ulei faze într-o emulsie fină.

Principiul de lucru al emulsificării cu ultrasunete

Producția cu ultrasunete de emulsii și nano-emulsii (cum ar fi emulsiile de apă în ulei și apă-în-ulei) se bazează pe principiul de lucru al cavitației acustice. În scopul de a crea cavitație acustică, de înaltă intensitate, ultrasunete de joasă frecvență este generat de un traductor cu ultrasunete și transmise prin corn cu ultrasunete și sondă (sonotrode) într-un lichid. Ultrasunete de mare putere este considerat ultrasunete în intervalul de 16-30kHz. Sonda cu ultrasunete se extinde și se contractă, de exemplu, la 20kHz, transmițând astfel 20.000 de vibrații pe secundă în mediu. În cazul în care undele ultrasonice de călătorie prin lichid, alternând de înaltă presiune (compresie) / joasă presiune (rarefaction / expansiune) cicluri de a crea cavități minute (bule de vid), care cresc pe mai multe cicluri de presiune. În timpul fazei de compresie a lichidului și a bulelor, presiunea este pozitivă, în timp ce faza de rareșare produce un vid (presiune negativă). În timpul ciclurilor de compresie-expansiune, cavitățile din lichid cresc până când ajung la o dimensiune, la care nu pot absorbi energie suplimentară. În acest moment, ei implodează violent. Implozia acestor cavități duce la diverse efecte extrem de energetice, care sunt cunoscute ca fenomen de cavitație acustică / ultrasonice. Cavitația acustică se caracterizează prin efecte multiple foarte energetice, care au impact asupra sistemelor lichid-lichid, solid-lichid și gaz-lichid. Zona de energie densă sau zona cavitațională este cunoscută sub numele de așa-numita zonă hot-spot, care este cea mai densă energetic în imediata vecinătate a sondei cu ultrasunete și scade cu o distanță tot mai mare de sonotrodă. Principalele caracteristici ale cavitației cu ultrasunete includ temperaturi și presiuni foarte ridicate care apar local și diferențialele respective, turbulențe, și streaming lichid. În timpul imploziei cavităților ultrasonice în punctele fierbinți cu ultrasunete, pot fi măsurate temperaturi de până la 5000 Kelvin, presiuni de până la 200 de atmosfere și jeturi lichide cu până la 1000 km/h. Aceste condiții deosebite de intense energetic contribuie la efectele sonomecanice care intensifică procesele prin amestecare, dispersare și emulsionare extrem de eficiente. Forțele de forfecare cu ultrasunete, curgerea lichidului și turbulențele perturbă picăturile și le amestecă uniform între ele. Ultrasonication de înaltă performanță produce în mod fiabil nano-picături cu o distribuție uniformă dimensiune. Acest lucru face emulsificare cu ultrasunete metoda preferată pentru a pregăti emulsii de ulei în apă / nano-emulsii cu stabilitate mare emulsie și termen de valabilitate.

Efectele intensității ultrasonice asupra calității emulsiei

Calitatea emulsiei se caracterizează în principal prin stabilitatea sa. La rândul său, stabilitatea emulsiei este un factor de distribuție a dimensiunii picăturilor și al formulării emulsiei.
Intensitatea ultrasonică, adică amplitudinea și durata sonicare, sunt factori importanți care influențează calitatea emulsiei obținute.
În cercetare, emulsionarea cu ultrasunete este împărțită în două faze: În timpul primului pas, apare o combinație de unde interfaciale și instabilitatea Rayleigh-Taylor, provocând erupția picăturilor de fază dispersate în faza continuă.
În timpul celei de-a doua etape, picăturile sunt rupte prin cavitație acustică în apropierea fazelor limită ale picăturii. Efectele intense ale întreruperii picăturilor și ale amestecării cauzate de undele de șoc cavitaționale generează dimensiuni foarte mici ale picăturilor. Intensitatea cu ultrasunete, amplitudinea, și timpul sonicare sunt responsabile pentru impactul obținut de cavitație și, prin urmare, parametrii cei mai influenți în ceea ce privește emulsionarea de dimensiuni fine. Hielscher Ultrasonics procesoare cu ultrasunete industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate cu ușurință continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.

Emulsifianți cu ultrasunete de înaltă performanță

Emulsionarea cu ultrasunete este o tehnologie de prelucrare fiabilă, care facilitează și accelerează producția de emulsii de înaltă calitate cu submicron și picături nano-dimensiuni. Hielscher Ultrasonics portofoliu acoperă întreaga gamă de la ultrasonicators de laborator compact la sisteme industriale pentru aplicații de emulsionare. Acest lucru ne permite la Hielscher pentru a vă oferi ultrasonicator cele mai potrivite pentru calitatea emulsiei avute în vedere și capacitatea de proces. Personalul nostru cu experiență de lungă durată vă va ajuta de la testele de fezabilitate și optimizarea proceselor până la instalarea sistemului cu ultrasunete la nivelul final de producție.
Mici picior-imprimare a extractoarelor noastre cu ultrasunete, precum și versatilitatea lor în opțiunile de instalare le face să se potrivească chiar și în facilități de procesare spațiu mic. Procesoare cu ultrasunete sunt instalate la nivel mondial în produsele alimentare, pharma și facilități de producție supliment nutritiv.

Hielscher Ultrasonics – Sisteme sofisticate de emulsionare

Hielscher Ultrasonics portofoliu de produse acoperă întreaga gamă de emulgatori cu ultrasunete de înaltă performanță de la scară mică la scară largă. Accesoriile suplimentare permit asamblarea ușoară a celei mai potrivite configurații de dispozitive cu ultrasunete pentru procesul de emulsionare. Configurarea optimă cu ultrasunete depinde de capacitatea avută în vedere, volum, materii prime, proces lot sau inline și cronologie.

Lot și în linie

Emulgatorii cu ultrasunete Hielscher pot fi utilizați pentru prelucrarea continuă a fluxului. Prelucrarea cu ultrasunete lot este ideal pentru testarea procesului, optimizarea și nivelul de producție de dimensiuni mici și medii. Pentru o producereă de volume mari de emulsii, prelucrarea în linie ar putea fi mai avantajoasă. Un proces continuu de amestecare în linie necesită o configurare sofisticată – constând într-o pompă, furtunuri sau conducte și rezervoare -, dar este foarte eficient, rapid și necesită semnificativ mai puțină muncă. Hielscher Ultrasonics are cel mai potrivit setup emulsificare pentru volumul emulsiei și obiectivele de proces.

Sonde cu ultrasunete și reactoare pentru emulsificare la orice dimensiune

Hielscher Ultrasonics gama de produse acoperă întregul spectru de procesoare cu ultrasunete de la ultrasonicators de laborator compact peste bench-top și sisteme pilot la procesoare cu ultrasunete complet industriale, cu capacitatea de a procesa camioane pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim cel mai potrivit emulgator cu ultrasunete pentru capacitatea de proces și obiectivele de producție.
Sistemele cu ultrasunete benchtop sunt ideale pentru testarea fezabilității și optimizarea procesului. Extinderea liniară pe baza parametrilor de proces stabiliți face foarte ușoară creșterea capacităților de prelucrare de la loturi mai mici la producția pe deplin comercială. Up-scalare se poate face fie prin instalarea unei unități mai puternice extractor cu ultrasunete sau clustering mai multe ultrasonicators în paralel. Cu UIP16000, Hielscher oferă cel mai puternic emulgator cu ultrasunete la nivel mondial.

Amplitudini controlabile precise pentru rezultate optime

Toate ultrasonicators Hielscher sunt exact controlabile și, prin urmare, cai de lucru de încredere în producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii cruciali ai procesului care influențează eficiența și eficacitatea emulsificării cu ultrasunete Amplitudinea este un factor crucial, care influențează decisiv calitatea emulsionării cu ultrasunete. Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodes și coarnele de rapel sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-o gamă și mai largă. Procesoarele cu ultrasunete industriale Hielscher pot livra amplitudini foarte mari și oferă intensitatea cu ultrasunete necesară pentru aplicații solicitante. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate cu ușurință continuu în funcționare 24/7.
Setările precise de amplitudine și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin intermediul software-ului inteligent vă oferă posibilitatea de a trata emulsia cu cele mai eficiente condiții cu ultrasunete. Sonicare optimă pentru cele mai bune rezultate de emulsionare!
Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la sarcini grele și în medii solicitante. Acest lucru face echipamentul cu ultrasunete Hielscher un instrument de lucru de încredere, care îndeplinește cerințele de emulsionare.

Testare ușoară, fără riscuri

Procesele cu ultrasunete pot fi complet liniare scalate. Acest lucru înseamnă că fiecare rezultat pe care le-ați realizat folosind un laborator sau banc-top ultrasonicator, poate fi scalate la exact aceeași ieșire folosind exact aceiași parametri de proces. Acest lucru face ultrasonication ideal pentru testarea de fezabilitate fără risc, optimizarea procesului și punerea în aplicare ulterioară în producția comercială. Contactați-ne pentru a afla sonicare poate îmbunătăți producția de emulsie.

Cea mai înaltă calitate – Proiectat și fabricat în Germania

Ca o afacere de familie și administrată de o familie, Hielscher prioritizează cele mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasonicators sunt proiectate, fabricate și testate temeinic în sediul nostru din Teltow lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentului cu ultrasunete Hielscher face un cal de lucru în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a mixerelor de înaltă performanță hielscher.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: