Эмульгирование методом ультразвуковой кавитации
Широкий ассортимент продукции для переработки и конечного потребителя – такие как косметические средства, лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски, смазочные материалы и топливо – полностью или частично основаны на эмульсиях.
Компания Hielscher производит крупнейшие в мире промышленные ультразвуковые устройства для обработки жидкостей, предназначенные для эффективной эмульгирования больших объемов жидкости на производственных предприятиях.
Как работает ультразвуковая эмульгирование
Применение в лабораторных условиях: В лабораторных условиях эмульгирующая способность ультразвука известна и используется уже давно благодаря множеству преимуществ, связанных с ультразвуковой гомогенизацией и эмульгированием.
Технология
Надежная ультразвуковая эмульгирование основана на использовании ультразвуковых датчиков, также известных как сонотроды. Процесс происходит следующим образом:
- Ультразвуковое соединение: С помощью ультразвукового датчика в жидкость подается ультразвук высокой интенсивности, что приводит к возникновению акустической кавитации.
- Эффект кавитации: Ультразвуковая или акустическая кавитация создает высокие сдвиговые силы, которые обеспечивают необходимую энергию для разбивания крупных капель на капли наноразмера.
- Образование эмульсии: Две или более жидких фаз смешиваются в однородную субмикронную или наноэмульсию.
Масштабирование производства с помощью технологии непрерывного технологического процесса: Использование ультразвуковых проточных ячеек позволяет обеспечить линейное масштабирование до промышленного производства наноэмульсий с переработкой больших объемов в режиме непрерывного потока.
Ультразвуковая подготовка прозрачной наноэмульсии с использованием ультразвукового аппарата UP400ST.
Преимущества ультразвуковой эмульгирования
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!
Результаты измерения методом DLS демонстрируют равномерное распределение капель по размеру в эмульсии «масло в воде» из розового масла, полученной ультразвуковым способом.
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.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
наноэмульсии – Применение ультразвуковых генераторов
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.
На видео ниже показан процесс эмульгирования масла (желтый) в воду (красный) с помощью лабораторного ультразвукового аппарата UP400S.
Принцип работы ультразвуковой эмульгации
Акустическая кавитация: движущая сила ультразвуковой эмульгирования и наноэмульгирования
Ультразвуковая эмульгирование основано на мощном воздействии акустической кавитации — явления, возникающего при прохождении высокоинтенсивных ультразвуковых волн через жидкость. В ходе этого процесса образуются микроскопические пузырьки, которые растут, а затем бурно разрушаются. Имплозивное разрушение этих пузырьков создает экстремальные локальные условия, включая интенсивные градиенты давления и температуры, высокие сдвиговые силы, ударные волны и микроструи жидкости. Эти силы эффективно разбивают крупные частицы, капли и агломераты на гораздо более мелкие структуры.
На изображении слева показана акустическая кавитация, создаваемая ультразвуковым процессором UIP1000hdT (1000 Вт), 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 распаде кавитационных пузырьков возникающие сдвиговые силы разбивают крупные капли на все более мелкие. В то же время локальные изменения давления и температуры способствуют образованию новых капель и одновременно помогают стабилизировать эмульсию.
Благодаря сочетанию разрушения и стабилизации капель ультразвуковая технология позволяет получать эмульсии с высокой степенью однородности и исключительно мелким распределением капель по размеру.
Распределение капель по размерам в эмульсиях «вода-оливковое масло», приготовленных (а) классическим методом гомогенизации и (б) методом ультразвуковой гомогенизации (с использованием аппарата UP400S) с добавлением MD, WPI и их смеси, содержащих 40 % сухого вещества и 9 % масла (мас./мас.). Ультразвуковая эмульгирование обеспечивает образование значительно более мелких капель, меньшее расслоение и лучшую общую стабильность эмульсии.
(исследование и графики: Zungur et al., 2015)
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!
Многофазный кавитатор (MPC48)
MultiPhaseCavitator — это мощная насадка, совместимая с ультразвуковыми проточными реакторами Hielscher: с помощью вставки MPC48 дисперсная фаза вводится через 48 канюль в виде тонких струй жидкости в ультразвуковую зону воздействия, где дисперсная и непрерывная фазы смешиваются в виде мельчайших капель, образуя наноэмульсию.
Узнайте, как MultiPhaseCavitator улучшает процесс эмульгирования!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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 останется однородной и сохранит свои желаемые свойства в течение долгого 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.
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]
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.