Emulgácia ultrazvukovou kavitáciou
Široký sortiment polotovarov a spotrebných výrobkov – ako napríklad kozmetika, pleťové krémy, farmaceutické masti, laky, farby, mazivá a palivá – sú úplne alebo čiastočne založené na emulziách.
Spoločnosť Hielscher vyrába najväčšie priemyselné ultrazvukové zariadenia na spracovanie kvapalín na svete, určené na efektívnu emulgáciu veľkoobjemových prúdov vo výrobných závodoch.
Ako funguje ultrazvuková emulzifikácia
Laboratórne použitie: V laboratórnych podmienkach je emulgačná schopnosť ultrazvuku známa a využívaná už dlhú dobu vďaka rôznym výhodám spojeným s ultrazvukovou homogenizáciou a emulziou.
Technológia
Spoľahlivá ultrazvuková emulgácia je založená na použití ultrazvukových sond, nazývaných aj sonotrody. Proces prebieha takto:
- Ultrazvuková spojka: Prostredníctvom ultrazvukovej sondy sa do kvapalín prenáša ultrazvuk s vysokou intenzitou, čím dochádza k akustickej kavitácii.
- Kavitačný efekt: Ultrazvuková alebo akustická kavitácia vytvára vysoké šmykové sily, ktoré dodávajú potrebnú energiu na rozbitie veľkých kvapiek na kvapky nanovej veľkosti.
- Tvorba emulzie: Dve alebo viac kvapalných fáz sa zmiešajú do jednotnej submikrónovej alebo nanoemulzie.
Zväčšovanie výroby v priemyselnom meradle prostredníctvom prietokovej technológie: Využitie ultrazvukových prietokových komôr umožňuje lineárne zväčšovanie výroby nanoemulzií až do priemyselných rozmerov, pričom sa spracovávajú veľké objemy v nepretržitom prietokovom režime.
Ultrazvuková príprava čírej nanoemulzie pomocou ultrazvukového prístroja UP400ST.
Výhody ultrazvukovej emulgácie
Ultrazvuková emulgácia pomocou ultrazvukového ultrazvuku typu sondy ponúka niekoľko výhod oproti iným emulgačným technikám:
- Zlepšená stabilita emulzie: Ultrazvuková emulgácia vytvára menšie veľkosti kvapiek a rovnomernejšie rozloženie kvapiek, čo vedie k zlepšeniu stability emulzie a dlhšej trvanlivosti. Kvapôčky submikrónovej a nanoveľkosti je možné spoľahlivo vyrobiť pomocou výkonového ultrazvuku.
- Energetická účinnosť: Ultrazvuková emulgácia vyžaduje menej energie ako iné emulgačné metódy, čo z nej robí energeticky efektívnejší proces.
- Škálovateľnosť: Ultrazvukovú emulgáciu je možné ľahko zväčšiť alebo znížiť v závislosti od požadovaného objemu, čo z nej robí všestranný proces pre laboratórne aj priemyselné aplikácie.
- Úspora času: Ultrazvuková emulgácia môže byť veľmi rýchly proces, pričom emulzie sa tvoria v priebehu niekoľkých sekúnd až minút v závislosti od kvapalín, objemu a zariadenia.
- Znížená potreba povrchovo aktívnych látok: Ultrazvuková emulgácia môže znížiť potrebu povrchovo aktívnych látok, ktoré sú často potrebné na stabilizáciu emulzií. Pri zmenšenej veľkosti kvapiek sa však povrchová plocha častice zväčšuje a väčšiu plochu musí pokryť povrchovo aktívna látka. Ultrazvuk je kompatibilný s takmer akýmkoľvek druhom povrchovo aktívnej látky vrátane alternatívnych a nových emulgátorov.
- Minimálna a kontrolovateľná tvorba tepla: Ultrazvuková emulgácia je netepelný proces a tvorbe tepla počas spracovania sa dá vyhnúť alebo ju v malej miere znížiť. Tým sa znižuje riziko tepelnej degradácie citlivých zlúčenín alebo zložiek.
Výhody ultrazvukovej emulgácie pomocou ultrazvukového ultrazvuku typu sondy z neho robia vynikajúcu voľbu pre emulgáciu v rôznych oblastiach vrátane potravín a nápojov, farmaceutických výrobkov, kozmetiky, jemných chemikálií a palív.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej emulgácii majonézy!
Prečítajte si viac o výrobe parafínových voskových emulzií pomocou sonikácie!
Prečítajte si viac o emulziách voda v nafte vyrábaných pomocou ultrazvuku!
Meranie metódou DLS ukazuje rovnomerné rozloženie veľkosti kvapôčok v emulzii typu „olej vo vode“ z ružového oleja, ktorá bola vyrobená ultrazvukom.
Čo je emulzia?Emulzie sú disperzie dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalín. Vysoko intenzívny ultrazvuk dodáva energiu potrebnú na rozptýlenie kvapalnej fázy (dispergovaná fáza) v malých kvapôčkach v druhej fáze (kontinuálna fáza). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe kvapalných prúdov s vysokou rýchlosťou kvapaliny.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
nanoemulzie – Aplikácia výkonu pre ultrazvukové zariadenia
Nanoemulzie sú emulzie s kvapôčkami, ktoré sú zvyčajne menšie ako 100 nanometrov. Nanoemulzie ponúkajú oproti bežným emulziám niekoľko výhod vrátane jedinečných funkčných vlastností, vyššej stability, priehľadnosti atď.
Ultrazvuk prekonáva tradičné emulgačné technológie, najmä pokiaľ ide o tvorbu nanoemulzií. Je to spôsobené vysoko účinným a energeticky náročným princípom fungovania ultrazvuku.
Video nižšie ukazuje proces emulgácie oleja (žltá) na vodu (červená) pomocou laboratórneho ultrazvuku UP400S.
Princíp činnosti ultrazvukovej emulgácie
Akustická kavitácia: hnacia sila ultrazvukovej a nanoemulgácie
Ultrazvuková emulgácia využíva silné účinky akustickej kavitácie, javu, ku ktorému dochádza, keď kvapalinou prechádzajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou. Počas tohto procesu sa vytvárajú mikroskopické bubliny, ktoré rastú a následne prudko kolabujú. Implozívny kolaps týchto bublín vytvára extrémne lokálne podmienky, vrátane intenzívnych tlakových a teplotných gradientov, vysokých šmykových síl, rázových vĺn a mikroprúdov kvapaliny. Tieto sily účinne rozkladajú veľké častice, kvapôčky a aglomeráty na oveľa menšie štruktúry.
Obrázok vľavo znázorňuje akustickú kavitáciu vyvolanú ultrazvukovým procesorom UIP1000hdT (1000 W) pracujúcim v sklenenej kolóne naplnenou kvapalinou.
Ako akustická kavitácia zlepšuje emulgáciu
Pri emulgácii aj nanoemulgácii je intenzita kavitácie kľúčovým faktorom pri určovaní veľkosti kvapôčok. Keď kavitačné bubliny kolabujú, vznikajúce šmykové sily rozbíjajú väčšie kvapôčky na čoraz menšie. Zároveň lokálne zmeny tlaku a teploty podporujú tvorbu nových kvapôčok a zároveň prispievajú k stabilizácii emulzie.
Táto kombinácia rozbíjania a stabilizácie kvapôčok umožňuje ultrazvukovej technológii vytvárať veľmi homogénne emulzie s mimoriadne jemným rozložením veľkostí kvapôčok.
Rozloženie veľkosti kvapôčok vo vodno-olivových emulziách pripravených (a) klasickou metódou homogenizácie a (b) metódou ultrazvukovej homogenizácie (s použitím zariadenia UP400S) s MD, WPI a ich zmesou, s obsahom 40 % sušiny a 9 % oleja (hmotnostné). Ultrazvuková emulgácia vedie k výrazne menším kvapôčkam, menšiemu oddeľovaniu a celkovo lepšej stabilite emulzie.
(štúdia a grafy: Zungur et al., 2015)
Ultrazvukové sondy pre účinnú emulgáciu
Spoločnosť Hielscher ponúka širokú škálu ultrazvukových prístrojov a príslušenstva sondového typu na efektívnu emulgáciu a dispergáciu kvapalín v dávkovom a prietokovom režime.
Systémy pozostávajúce z niekoľkých ultrazvukových procesorov s výkonom až 16 000 wattov poskytujú kapacitu potrebnú na prevedenie tejto laboratórnej aplikácie do efektívnej výrobnej metódy na získanie jemne rozptýlených emulzií v kontinuálnom toku alebo v dávke – dosahovanie výsledkov porovnateľných s dnešnými najlepšími vysokotlakovými homogenizátormi, ako je napríklad nový clonový ventil. Okrem tejto vysokej účinnosti pri kontinuálnej emulgácii vyžadujú ultrazvukové prístroje Hielscher veľmi nízku údržbu a veľmi ľahko sa ovládajú a čistia. Ultrazvuk v skutočnosti podporuje čistenie a oplachovanie. Ultrazvukový výkon je nastaviteľný a možno ho prispôsobiť konkrétnym produktom a požiadavkám na emulziáciu. K dispozícii sú aj špeciálne reaktory s prietokovými bunkami, ktoré spĺňajú pokročilé požiadavky CIP (čistenie na mieste) a SIP (sterilizácia na mieste).
MultiSonoReactor MSR-4 je priemyselný inline homogenizačný reaktor vhodný pre (nano)emulgačné procesy s vysokou priepustnosťou.
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je výkonný príslušenstvo kompatibilné s ultrazvukovými prietokovými reaktormi spoločnosti Hielscher: Pri použití vložky MPC48 sa disperzná fáza vstrekuje prostredníctvom 48 kanyiel vo forme tenkých prúdov kvapaliny do ultrazvukovej zóny, kde sa disperzná fáza a kontinuitná fáza zmiešavajú vo forme mikroskopických kvapôčok do nanoemulzie.
Zistite, ako zariadenie MultiPhaseCavitator zlepšuje emulgáciu!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Definícia pojmu “emulzia”
Emulzia je zmes dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalín, ako je olej a voda.
Emulzie môžu byť buď olej vo vode (kde sú kvapky oleja rozptýlené vo vode) alebo voda v oleji (kde sú kvapky vody rozptýlené v oleji). Emulzie sa používajú v rôznych aplikáciách vrátane potravinárskych výrobkov (ako sú šalátové dresingy a majonéza), kozmetiky (ako sú pleťové vody a krémy) a liečiv (ako sú vakcíny).
Emulgátor funguje tak, že znižuje povrchové napätie medzi dvoma nemiešateľnými látkami (ako je olej a voda) v emulzii. To znižuje tendenciu týchto dvoch látok oddeľovať sa a umožňuje im vytvárať stabilnú zmes.
Ako je emulzia stabilná?
Emulzia sa stáva stabilnou tým, že sa zabráni zlúčeniu dispergovanej fázy (kvapôčok jednej kvapaliny) a oddeleniu sa od kontinuálnej fázy (okolitej kvapaliny). Na dosiahnutie stability emulzií je potrebné zvážiť niekoľko kľúčových bodov:
- Emulgátory (povrchovo aktívne látky):
– Rola: Emulgátory sú molekuly, ktoré majú hydrofilné (priťahujúce vodu) aj hydrofóbne (vodoodpudzujúce) konce.
– Akcia: Znižujú povrchové napätie medzi dvoma nemiešateľnými kvapalinami a vytvárajú ochrannú vrstvu okolo kvapôčok, ktorá zabraňuje ich zlúčeniu.
– Príklady: lecitín, polysorbáty a stearoyllaktylát sodný. - Mechanické metódy:
Vysokovýkonné mixovanie: Použitie mixérov alebo homogenizátorov s vysokým strihom na rozbitie kvapiek na menšie veľkosti, zväčšenie plochy povrchu a zvýšenie stability. Sonikátory sondového typu sú vynikajúcou a veľmi spoľahlivou metódou využívajúcou sonomechanické šmykové sily. Tieto ultrazvukové šmykové sily rozbíjajú veľké kvapôčky na nepatrné kvapôčky a miešajú nemiešateľné fázy do stabilnej emulzie. - Modifikátory viskozity:
Zahusťovadlá: Zvýšenie viskozity kontinuálnej fázy môže spomaliť pohyb kvapôčok, čím sa zníži pravdepodobnosť koalescencie.
– Príklady: Xantánová guma, guarová guma a karboxymetylcelulóza. - Stabilizačné látky:
– Polyméry: Polyméry môžu poskytnúť sterickú stabilizáciu vytvorením hrubej vrstvy okolo kvapiek.
– Príklady: Pektín, želatína a niektoré bielkoviny. - Elektrostatická stabilizácia:
– Obvinenie: Niektoré emulgátory dodávajú povrchu kvapiek elektrický náboj, čo spôsobuje, že sa navzájom odpudzujú, a tým znižujú koalescenciu.
– Príklady: Kazeinát sodný a sójový lecitín. - Regulácia teploty:
– Chladenie: Zníženie teploty môže zvýšiť viskozitu kontinuálnej fázy a znížiť kinetickú energiu kvapôčok, čím sa zabráni koalescencii.
– Vyhýbanie sa oddeleniu fáz: Zabezpečenie teploty v rozsahu, ktorý zabraňuje oddeleniu komponentov. - Aditíva:
– Antioxidanty: Zabránenie oxidácii môže pomôcť zachovať integritu emulgátora a ďalších zložiek.
– Chelatačné činidlá: Väzba kovových iónov, ktoré by inak mohli emulziu destabilizovať.
Použitím správnej techniky emulgovania možno dosiahnuť stabilitu emulzií, čím sa zabezpečí, že zmes zostane homogénna a zachová si požadované vlastnosti v priebehu času.
Stabilizačné emulgátory
Vo všeobecnosti emulzie vyžadujú stabilizáciu pomocou emulgačného činidla alebo povrchovo aktívnej látky. Emulgátory sú amfifilné – priťahujú vodu aj mastné látky. To znamená, že majú hydrofilné (vodu milujúce) a hydrofóbne (olejomilné) vlastnosti, čo im umožňuje interagovať s olejovou aj vodnou fázou emulzie. Hydrofilná časť molekuly emulgátora sa viaže na molekuly vody, zatiaľ čo hydrofóbna časť sa viaže na molekuly oleja.
Obklopením kvapiek oleja molekulami emulgátora emulgátor vytvára okolo kvapôčok ochrannú vrstvu, ktorá zabraňuje ich vzájomnému kontaktu a zlúčeniu (spojeniu) za vzniku väčších kvapôčok. To pomáha udržiavať stabilitu emulzie a zabraňuje oddeleniu.
Keďže koalescencia kvapiek po narušení ovplyvňuje konečnú distribúciu veľkosti kvapiek, používajú sa účinne stabilizačné emulgátory na udržanie konečnej distribúcie veľkosti kvapiek na úrovni, ktorá sa rovná distribúcii bezprostredne po narušení kvapiek v ultrazvukovej disperzujúcej zóne. Stabilizátory v skutočnosti vedú k zlepšeniu narušenia kvapiek pri konštantnej hustote energie.
Príklady bežne používaných emulgátorov zahŕňajú lecitín (ktorý sa nachádza vo vaječných žĺtkoch a sójových bôboch), mono- a diglyceridy, polysorbát 80 a stearoyllaktylát sodný.
Miniemulzie, ktoré je možné efektívne vytvoriť ultrazvukom, zvyšujú chemické reakcie. Makroemulzná polymerizácia (a) verzus miniemulzná polymerizácia (b) [Schork et al. 2005: 136]
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.