Эмульгирование методом ультразвуковой кавитации
Широкий спектр промежуточных и потребительских товаров, таких как косметика и лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски и смазочные материалы, а также топливо, полностью или частично основан на эмульсиях. Hielscher производит крупнейшие в мире промышленные ультразвуковые жидкостные процессоры для эффективной эмульгирования больших объемов потоков на производственных предприятиях.
Ультразвуковая эмульгация
В лабораторных условиях эмульгирующая способность ультразвука известна и применяется уже давно благодаря различным преимуществам, связанным с ультразвуковой гомогенизацией и эмульгированием. Надежная ультразвуковая эмульгация основана на использовании ультразвуковых зондов, так называемых сонотродов. С помощью ультразвукового зонда ультразвук высокой интенсивности соединяется с жидкостями и создает акустическую кавитацию. Ультразвуковая или акустическая кавитация создает высокие силы сдвига, которые обеспечивают необходимую энергию для разрушения крупных капель до наноразмеров. Таким образом, две или более жидких фаз смешиваются в однородную субмикронную или наноэмульсию.
Использование ультразвуковых проточных ячеек позволяет осуществлять линейное масштабирование до промышленного производства наноэмульсий, обрабатывающих большие объемы потоков в непрерывном потоке.
Многофазный кавитатор: Уникальная вставка проточных ячеек Hielscher MPC48 - это мощный аксессуар, совместимый с ультразвуковыми проочными реакторами Hielscher. С помощью вставки MPC48 дисперсная фаза впрыскивается через 48 канюль в виде тонких жидких нитей в ультразвуковую горячую зону, где дисперсная фаза и непрерывная фаза смешиваются в виде мельчайших капель в наноэмульсию. Узнайте больше о вставке ультразвуковой проточной ячейки MPC48!
Ультразвуковые аппараты надежны и эффективны при производстве субмикронных и наноразмерных эмульсий.
Преимущества ультразвуковой эмульгации
Ультразвуковая эмульгирование с помощью ультразвукового аппарата зондового типа имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами эмульгирования:
- Повышенная стабильность эмульсии: Ультразвуковая эмульгация позволяет уменьшить размер капель и обеспечить более равномерное распределение капель, что приводит к повышению стабильности эмульсии и увеличению срока хранения. Субмикронные и наноразмерные капли могут быть надежно получены с помощью силового ультразвука.
- Энергоэффективности: Ультразвуковая эмульгация требует меньше энергии, чем другие методы эмульгирования, что делает ее более энергоэффективным процессом.
- Масштабируемость: Ультразвуковая эмульгация может быть легко увеличена или уменьшена в зависимости от требуемого объема, что делает ее универсальным процессом как для лабораторного, так и для промышленного применения.
- Экономия времени: Ультразвуковая эмульгация может быть очень быстрым процессом, при этом эмульсии образуются за секунды или минуты, в зависимости от жидкости, объема и оборудования.
- Снижение потребности в поверхностно-активных веществах: Ультразвуковая эмульгация может снизить потребность в поверхностно-активных веществах, которые часто требуются для стабилизации эмульсий. Однако при уменьшении размера капель площадь поверхности частицы увеличивается, и поверхностно-активное вещество должно покрывать большую площадь. Ультразвуковое исследование совместимо практически с любыми видами поверхностно-активных веществ, включая альтернативные и новые эмульгаторы.
- Минимальное и контролируемое выделение тепла: Ультразвуковая эмульгация является нетермическим процессом, и выделение тепла во время обработки можно избежать или уменьшить до небольшой степени. Таким образом, снижается риск термической деградации чувствительных соединений или ингредиентов.
Преимущества ультразвуковой эмульгирования с использованием ультразвукового аппарата зондового типа делают его отличным выбором для эмульгирования в различных областях, включая пищевую промышленность и производство напитков, фармацевтику, косметику, тонкую химическую промышленность и топливо.
Узнайте больше об ультразвуковом эмульгировании майонеза!
Узнайте больше о производстве парафиновых восковых эмульсий с помощью ультразвуковой обработки!
Узнайте больше об эмульсиях «вода в дизельном топливе», полученных с использованием ультразвука!
Ультразвуковое приготовление эмульсии типа «масло в воде» (М/В) (красная вода / желтое масло). Несколько секунд ультразвуковой обработки превращают отдельные водно-масляные фазы в тонкую эмульсию.
На видео ниже показан процесс эмульгирования масла (желтый) в воду (красный) с помощью лабораторного ультразвукового аппарата UP400S.
Что такое эмульсия?Эмульсии представляют собой дисперсии двух или более несмешивающихся жидкостей. Высокоинтенсивный ультразвук 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 струй жидкости с высокой скоростью жидкости.
Минэмульсии, которые могут быть эффективно созданы с помощью ультразвука, усиливают химические реакции. Макроэмульсионная полимеризация (a) в сравнении с миниэмульсионной полимеризацией (b) [Schork et al. 2005: 136]
наноэмульсии – Применение энергии для ультразвуковых аппаратов
Наноэмульсии — это эмульсии с каплями, размер которых обычно составляет менее 100 нанометров. Наноэмульсии обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными эмульсиями, включая уникальные функциональные свойства, более высокую стабильность, прозрачность и т. д.
Ультразвуковая технология превосходит традиционные технологии эмульгирования, особенно когда речь идет об образовании наноэмульсий. Это связано с высокоэффективным и энергоемким принципом работы ультразвука.
Принцип работы ультразвуковой эмульгации
В процессах ультразвуковой эмульгирования используются силы акустической кавитации. Акустическая кавитация относится к явлению образования, роста и имплозивного схлопывания мелких пузырьков в жидкой среде под действием ультразвуковых волн высокой интенсивности. Имплозия этих пузырей создает интенсивные локальные градиенты давления и температуры, которые могут создавать силы с большим сдвигом, ударные волны и микроструи, которые могут разрушать крупные частицы и агломераты на более мелкие. На рисунке слева показана ультразвуковая кавитация, генерируемая зондом ультразвукового аппарата UIP1000hdT (1000 Вт) в стеклянной колонне, заполненной жидкостью.
При эмульгировании и наноэмульгировании интенсивность акустической кавитации играет решающую роль в уменьшении размера капель в эмульсии. Имплозивное схлопывание кавитационных пузырьков может создать сильные силы сдвига, которые разрушают более крупные капли на более мелкие. Кроме того, локальные градиенты давления и температуры, создаваемые кавитацией, также могут способствовать образованию новых капель и стабилизации эмульсии.
Уникальным аспектом акустической кавитации является ее способность обеспечивать локализованное и интенсивное поступление энергии в жидкую среду без необходимости в высоких механических или термических напряжениях. Это делает его привлекательным методом для наноэмульгирования, поскольку он может снизить затраты энергии, необходимой для процесса эмульгирования, при этом достигая меньшего размера капель и более узкого распределения капель по размерам.
Благодаря этим точно контролируемым ультразвуковым силам акустическая кавитация является мощным инструментом для наноэмульгирования. Его способность генерировать локализованную и интенсивную подачу энергии позволяет с очень высокой эффективностью расщеплять более крупные капли, образуя субмикронные и наноразмерные.
Исследования эмульсий «масло в воде» (водная фаза) и «вода в масле» (масляная фаза) показали корреляцию между плотностью энергии и размером капель (например, диаметр Саутера). Прослеживается явная тенденция к уменьшению размера капель при увеличении плотности энергии (Нажмите на правый график). При соответствующих уровнях плотности энергии ультразвук может легко и надежно достигать средних размеров капель в нанодиапазоне.
Ультразвуковые преобразователи для эффективной эмульгирования
Hielscher предлагает широкий ассортимент ультразвуковых аппаратов зондового типа и аксессуаров для эффективной эмульгирования и диспергирования жидкостей в периодическом и проточном режиме.
Системы, состоящие из нескольких ультразвуковых процессоров мощностью до 16 000 Вт каждый, обеспечивают мощность, необходимую для преобразования этого лабораторного применения в эффективный метод производства для получения мелкодисперсных эмульсий в непрерывном потоке или в периодическом исполнении – Достижение результатов, сравнимых с лучшими на сегодняшний день гомогенизаторами высокого давления, такими как новый диафрагменный клапан. В дополнение к этой высокой эффективности в непрерывном эмульгировании, ультразвуковые аппараты Hielscher не требуют особого обслуживания и очень просты в эксплуатации и очистке. Ультразвук на самом деле поддерживает очистку и полоскание. Мощность ультразвука регулируется и может быть адаптирована к конкретным продуктам и требованиям к эмульгированию. Также доступны специальные реакторы с проточными ячейками, отвечающие передовым требованиям CIP (безразборная мойка) и SIP (стерилизация на месте).
MultiSonoReactor MSR-4 — это промышленный поточный реактор гомогенизации, подходящий для процессов (нано-)эмульгирования с высокой производительностью.
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter | от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Литература / Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Определение термина “эмульсия”
Эмульсия представляет собой смесь двух или более несмешивающихся жидкостей, таких как масло и вода.
Эмульсии могут быть как «масло в воде» (когда капли масла диспергируются в воде), так и «вода в масле» (когда капли воды диспергируются в масле). Эмульсии используются в различных областях, включая пищевые продукты (например, заправки для салатов и майонез), косметику (например, лосьоны и кремы) и фармацевтические препараты (например, вакцины).
Эмульгатор работает за счет снижения поверхностного натяжения между двумя несмешивающимися веществами (такими как масло и вода) в эмульсии. Это снижает склонность двух веществ к разделению и позволяет им образовывать стабильную смесь.
Как сделать эмульсию стабильной?
Эмульсия становится стабильной за счет предотвращения коалесцирования дисперсной фазы (капель одной жидкости) и отделения от непрерывной фазы (окружающей жидкости). Для достижения стабильности в эмульсиях необходимо учитывать несколько ключевых моментов:
- Эмульгаторы (поверхностно-активные вещества):
– Роль: Эмульгаторы – это молекулы, которые имеют как гидрофильную (притягивающую воду), так и гидрофобную (водоотталкивающую) концы.
– Действие: Они снижают поверхностное натяжение между двумя несмешивающимися жидкостями и образуют защитный слой вокруг капель, предотвращая их слияние.
– Примеры: Лецитин, полисорбаты и стеароиллактилат натрия. - Механические методы:
Высокопроизводительное микширование: Использование смесителей или гомогенизаторов с большими сдвиговыми усилиями для разбиения капель на более мелкие размеры, увеличения площади поверхности и повышения стабильности. Ультразвуковые аппараты зондового типа являются отличным и очень надежным методом использования сономеханических сдвиговых сил. Эти ультразвуковые сдвиговые силы разбивают крупные капли на мельчайшие капли и смешивают несмешивающиеся фазы в стабильную эмульсию. - Модификаторы вязкости:
Загустители: Увеличение вязкости непрерывной фазы может замедлить движение капель, снижая вероятность коалесценции.
– Примеры: Ксантановая камедь, гуаровая камедь и карбоксиметилцеллюлоза. - Стабилизирующие агенты:
– Полимеров: Полимеры могут обеспечивать стерическую стабилизацию, образуя толстый слой вокруг капель.
– Примеры: Пектин, желатин и некоторые белки. - Электростатическая стабилизация:
– Обвинение: Некоторые эмульгаторы придают электрический заряд поверхности капель, заставляя их отталкиваться друг от друга и тем самым уменьшая коалесценцию.
– Примеры: Казеинат натрия и лецитин сои. - Контроль температуры:
– Охлаждение: Понижение температуры может увеличить вязкость непрерывной фазы и уменьшить кинетическую энергию капель, предотвращая коалесценцию.
– Как избежать разделения фаз: Обеспечение того, чтобы температура оставалась в диапазоне, предотвращающем расслоение компонентов. - Добавок:
– Антиоксидантов: Предотвращение окисления может помочь сохранить целостность эмульгатора и других компонентов.
– Хелатирующие агенты: Связывание ионов металлов, которые в противном случае могли бы дестабилизировать эмульсию.
Применяя правильную технику эмульгирования, эмульсии можно сделать стабильными, гарантируя, что смесь остается однородной и сохраняет свои желаемые свойства с течением времени.
Стабилизирующие эмульгаторы
Как правило, эмульсии требуют стабилизации с помощью эмульгатора или поверхностно-активного вещества. Эмульгаторы амфифильные – они притягивают как воду, так и жировые вещества. Это означает, что они обладают гидрофильными (влаголюбивыми) и гидрофобными (маслянистыми) свойствами, что позволяет им взаимодействовать как с масляной, так и с водной фазами эмульсии. Гидрофильная часть молекулы эмульгатора прикрепляется к молекулам воды, в то время как гидрофобная часть прикрепляется к молекулам масла.
Окружая капли масла молекулами эмульгатора, эмульгатор создает защитный слой вокруг капель, который предотвращает их контакт друг с другом и их коалесцирование (соединение) с образованием более крупных капель. Это помогает сохранить стабильность эмульсии и предотвращает расслоение.
Поскольку коалесценция капель после разрушения влияет на конечное распределение капель по размерам, эффективно стабилизирующие эмульгаторы используются для поддержания конечного распределения капель по размерам на уровне, равном распределению сразу после разрушения капель в зоне ультразвукового диспергирования. Стабилизаторы фактически приводят к улучшению разрушения капель при постоянной плотности энергии.
Примеры широко используемых эмульгаторов включают лецитин (который содержится в яичных желтках и соевых бобах), моно- и диглицериды, полисорбат 80 и стеарил лактилат натрия.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.