Эмульгирование посредством ультразвуковой кавитации

Широкий спектр промежуточных продуктов и потребительских товаров – таких как косметика, лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски, смазочные материалы и топливо – полностью или частично основан на эмульсиях.
Hielscher производит крупнейшие в мире промышленные ультразвуковые процессоры для обработки жидкостей, обеспечивающие эффективное эмульгирование потоков большого объёма на производственных предприятиях.

Как работает ультразвуковое эмульгирование

Лабораторные применения: В лабораторных условиях способность ультразвука обеспечивать эмульгирование давно известна и применяется благодаря различным преимуществам ультразвуковой гомогенизации и эмульгирования.

Технология

Надёжное ультразвуковое эмульгирование основано на использовании ультразвуковых зондов, также известных как сонотроды. Процесс протекает следующим образом:

1. Передача ультразвуковой энергии: Через ультразвуковой зонд в жидкости передаётся ультразвук высокой интенсивности, создавая акустическую кавитацию.
2. Кавитационный эффект: Ультразвуковая, или акустическая, кавитация создаёт высокие сдвиговые силы, обеспечивающие энергию, необходимую для дробления крупных капель до капель наноразмера.
3. Образование эмульсии: Две или более жидкие фазы смешиваются с образованием однородной субмикронной эмульсии или наноэмульсии.

 
Масштабирование до промышленного уровня с использованием проточной технологии: Использование ультразвуковых проточных ячеек позволяет линейно масштабировать производство наноэмульсий до промышленного уровня, обрабатывая потоки большого объёма в непрерывном проточном режиме.

Преимущества ультразвукового эмульгирования

Ультразвуковое эмульгирование с помощью ультразвукового аппарата зондового типа имеет ряд преимуществ перед другими методами эмульгирования:

1. Повышенная стабильность эмульсии: Ультразвуковое эмульгирование обеспечивает меньший размер капель и более равномерное распределение капель, что повышает стабильность эмульсии и увеличивает срок хранения. С помощью мощного ультразвука можно надёжно получать капли субмикронного и наноразмера.
2. Энергоэффективность: Ультразвуковое эмульгирование требует меньше энергии, чем другие методы эмульгирования, что делает этот процесс более энергоэффективным.
3. Масштабируемость: Масштаб ультразвукового эмульгирования можно легко увеличивать или уменьшать в зависимости от требуемого объёма, что делает этот процесс универсальным как для лабораторных, так и для промышленных применений.
4. Экономия времени: Ультразвуковое эмульгирование может быть очень быстрым процессом: эмульсии образуются за время от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от жидкостей, объёма и оборудования.
5. Снижение потребности в поверхностно-активных веществах: Ультразвуковое эмульгирование может снизить потребность в поверхностно-активных веществах, которые часто необходимы для стабилизации эмульсий. Однако при уменьшении размера капель площадь поверхности частицы увеличивается, и поверхностно-активное вещество должно покрывать большую площадь. Обработка ультразвуком совместима практически с любым типом поверхностно-активных веществ, включая альтернативные и новые эмульгаторы.
6. Минимальное и контролируемое тепловыделение: Ультразвуковое эмульгирование является нетермическим процессом, и тепловыделения при обработке можно избежать или в небольшой степени уменьшить его. Это снижает риск термического разложения чувствительных соединений или ингредиентов.

Преимущества ультразвукового эмульгирования с помощью ультразвукового аппарата зондового типа делают его отличным выбором для эмульгирования в различных отраслях, включая производство пищевых продуктов и напитков, фармацевтику, косметику, тонкий химический синтез и производство топлива.
Узнайте больше об ультразвуковом эмульгировании майонеза!
Узнайте больше о получении эмульсий парафина с помощью обработки ультразвуком!
Узнайте больше об эмульсиях воды в дизельном топливе, получаемых с помощью ультразвука!

Измерение методом DLS показывает равномерное распределение капель по размерам в эмульсии розового масла в воде, полученной с помощью ультразвука.

Что такое эмульсия?
Эмульсии представляют собой дисперсии двух или более несмешивающихся жидкостей. Ультразвук высокой интенсивности обеспечивает мощность, необходимую для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в виде мелких капель во второй фазе (непрерывной фазе). В зоне диспергирования схлопывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию высокоскоростных жидкостных струй.

Наноэмульсии – мощное применение ультразвуковых аппаратов

Наноэмульсии – это эмульсии с каплями, размер которых обычно составляет менее 100 нанометров. Наноэмульсии имеют ряд преимуществ перед обычными эмульсиями, включая уникальные функциональные свойства, более высокую стабильность, прозрачность и т. д.
Обработка ультразвуком превосходит традиционные технологии эмульгирования, особенно при получении наноэмульсий. Это обусловлено высокоэффективным принципом действия ультразвука с интенсивным энергетическим воздействием.

 
В видео ниже показан процесс эмульгирования масла (жёлтого) в воде (красной) с помощью лабораторного ультразвукового аппарата UP400S.

Принцип действия ультразвукового эмульгирования

Акустическая кавитация: движущая сила ультразвукового эмульгирования и наноэмульгирования
Ультразвуковое эмульгирование основано на мощных эффектах акустической кавитации – явления, возникающего при прохождении ультразвуковых волн высокой интенсивности через жидкость. В ходе этого процесса микроскопические пузырьки образуются, растут, а затем резко схлопываются. Имплозивное схлопывание этих пузырьков создаёт экстремальные локальные условия, включая интенсивные градиенты давления и температуры, высокие сдвиговые силы, ударные волны и жидкостные микроструи. Эти силы эффективно дробят крупные частицы, капли и агломераты на гораздо более мелкие структуры.
Изображение слева показывает акустическую кавитацию, создаваемую ультразвуковым процессором UIP1000hdT (1000 W), работающим в заполненной жидкостью стеклянной колонне.

Как акустическая кавитация улучшает эмульгирование

Как при эмульгировании, так и при наноэмульгировании интенсивность кавитации является ключевым фактором, определяющим размер капель. При схлопывании кавитационных пузырьков возникающие сдвиговые силы дробят крупные капли на всё более мелкие. Одновременно локальные изменения давления и температуры способствуют образованию новых капель, помогая стабилизировать эмульсию.
Это сочетание дробления капель и стабилизации позволяет ультразвуковой технологии получать высокооднородные эмульсии с распределением капель по размерам в области исключительно малых размеров.
 

Распределение капель по размерам в эмульсиях воды и оливкового масла, полученных (a) методом классической гомогенизации и (b) методом ультразвуковой гомогенизации (с использованием UP400S) с MD, WPI и их смесью, с содержанием сухого вещества 40% и содержанием масла 9% (w/w). Ультразвуковое эмульгирование обеспечивает значительно меньшие капли, меньшее отстаивание и более высокую общую стабильность эмульсии.
(исследование и графики: Zungur et al., 2015)

Ультразвуковые зонды для эффективного эмульгирования

Hielscher предлагает широкий ассортимент ультразвуковых аппаратов зондового типа и принадлежностей для эффективного эмульгирования и диспергирования жидкостей в периодическом и проточном режимах.
Системы, состоящие из нескольких ультразвуковых процессоров мощностью до 16 000 ватт каждый, обеспечивают производительность, необходимую для превращения этого лабораторного применения в эффективный производственный метод получения мелкодисперсных эмульсий в непрерывном потоке или в периодическом режиме – с результатами, сопоставимыми с результатами лучших современных гомогенизаторов высокого давления, таких как новый клапан с проходным отверстием. Помимо высокой эффективности непрерывного эмульгирования, ультразвуковые устройства Hielscher требуют минимального технического обслуживания, очень просты в эксплуатации и очистке. Ультразвук действительно способствует очистке и промывке. Ультразвуковая мощность регулируется и может быть адаптирована к конкретным продуктам и требованиям к эмульгированию. Также доступны специальные реакторы с проточной ячейкой, соответствующие повышенным требованиям CIP (безразборная очистка) и SIP (стерилизация на месте).

MultiphaseCavitator (MPC48)
MultiphaseCavitator – мощная принадлежность, совместимая с ультразвуковыми реакторами Hielscher с проточной ячейкой: при использовании вставки MPC48 дисперсная фаза вводится через 48 канюль в виде тонких жидких струек в горячую ультразвуковую зону, где дисперсная и непрерывная фазы смешиваются с образованием наноэмульсии с мельчайшими каплями.
Узнайте, как MultiphaseCavitator улучшает эмульгирование!

Литература / Источники

• 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