Emulgovanie ultrazvukovou kavitáciou
Široká škála medziproduktov a spotrebných výrobkov – ako sú kozmetické prípravky, telové mlieka, farmaceutické masti, laky, farby, mazivá a palivá – je úplne alebo čiastočne založená na emulziách.
Hielscher vyrába najväčšie priemyselné ultrazvukové procesory na spracovanie kvapalín na svete na účinné emulgovanie veľkoobjemových prúdov vo výrobných prevádzkach.
Ako funguje ultrazvukové emulgovanie
Laboratórne aplikácie: V laboratórnych podmienkach je emulgačná schopnosť ultrazvuku už dlho známa a využívaná vďaka rôznym výhodám spojeným s ultrazvukovou homogenizáciou a emulgovaním.
Technológia
Spoľahlivé ultrazvukové emulgovanie je založené na použití ultrazvukových sond, známych aj ako sonotródy. Proces prebieha takto:
- Prenos ultrazvuku: Prostredníctvom ultrazvukovej sondy sa do kvapalín prenáša ultrazvuk vysokej intenzity, čím vzniká akustická kavitácia.
- Kavitačný účinok: Ultrazvuková alebo akustická kavitácia vytvára vysoké šmykové sily, ktoré poskytujú potrebnú energiu na rozbitie veľkých kvapôčok až na kvapôčky nanometrových rozmerov.
- Tvorba emulzie: Dve alebo viaceré kvapalné fázy sa zmiešajú do rovnomernej submikrónovej emulzie alebo nanoemulzie.
Zväčšovanie mierky na priemyselnú úroveň pomocou prietokovej technológie: Použitie ultrazvukových prietokových komôr umožňuje lineárne zväčšovanie mierky až po priemyselnú výrobu nanoemulzií, pričom sa veľkoobjemové prúdy spracúvajú v nepretržitom prietoku.
Ultrazvuková príprava čírej nanoemulzie pomocou ultrazvukového prístroja UP400ST.
Výhody ultrazvukového emulgovania
Ultrazvukové emulgovanie pomocou sondového ultrazvukového prístroja ponúka oproti iným technikám emulgovania niekoľko výhod:
- Vyššia stabilita emulzie: Ultrazvukové emulgovanie vytvára menšie kvapôčky a rovnomernejšie rozdelenie kvapôčok, čo vedie k vyššej stabilite emulzie a dlhšej trvanlivosti. Pomocou výkonového ultrazvuku možno spoľahlivo vytvárať kvapôčky submikrónových a nanometrových rozmerov.
- Energetická účinnosť: Ultrazvukové emulgovanie vyžaduje menej energie než iné metódy emulgovania, vďaka čomu je energeticky účinnejším procesom.
- Škálovateľnosť: Mierku ultrazvukového emulgovania možno ľahko zväčšovať alebo zmenšovať podľa požadovaného objemu, vďaka čomu ide o všestranný proces pre laboratórne aj priemyselné aplikácie.
- Úspora času: Ultrazvukové emulgovanie môže byť veľmi rýchly proces, pri ktorom sa emulzie vytvárajú v priebehu sekúnd až minút v závislosti od kvapalín, objemu a zariadenia.
- Znížená potreba povrchovo aktívnych látok: Ultrazvukové emulgovanie môže znížiť potrebu povrchovo aktívnych látok, ktoré sú často potrebné na stabilizáciu emulzií. Pri zmenšení veľkosti kvapôčok sa však zväčšuje plocha povrchu častice a povrchovo aktívnou látkou sa musí pokryť väčšia plocha. Pôsobenie ultrazvuku je kompatibilné s takmer každým druhom povrchovo aktívnej látky vrátane alternatívnych a nových emulgátorov.
- Minimálna a regulovateľná tvorba tepla: Ultrazvukové emulgovanie je netepelný proces a tvorbe tepla počas spracovania možno zabrániť alebo ju obmedziť na nízku úroveň. Tým sa znižuje riziko tepelnej degradácie citlivých zlúčenín alebo zložiek.
Výhody ultrazvukového emulgovania pomocou sondového ultrazvukového prístroja z neho robia vynikajúcu voľbu na emulgovanie v rôznych oblastiach vrátane výroby potravín a nápojov, farmaceutických výrobkov, kozmetiky, jemných chemikálií a palív.
Prečítajte si viac o ultrazvukovom emulgovaní majonézy!
Prečítajte si viac o výrobe emulzií parafínového vosku pomocou sonikácie!
Prečítajte si viac o emulziách vody v nafte vyrábaných pomocou ultrazvuku!
Meranie DLS ukazuje rovnomerné rozdelenie veľkosti kvapôčok emulzie ružového oleja vo vode vyrobenej pomocou ultrazvuku.
Čo je emulzia?Emulzie sú disperzie dvoch alebo viacerých navzájom nemiešateľných kvapalín. Ultrazvuk vysokej intenzity dodáva výkon potrebný na dispergovanie kvapalnej fázy (dispergovanej fázy) vo forme malých kvapôčok v druhej fáze (kontinuálnej fáze). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe prúdov kvapaliny s vysokou rýchlosťou.
Nanoemulzie – využitie výkonu sonikátorov
Nanoemulzie sú emulzie s kvapôčkami, ktorých veľkosť je zvyčajne menšia ako 100 nanometrov. Nanoemulzie ponúkajú oproti konvenčným emulziám niekoľko výhod vrátane jedinečných funkčných vlastností, vyššej stability, priehľadnosti atď.
Ultrazvukové spracovanie prekonáva tradičné emulgačné technológie najmä pri tvorbe nanoemulzií. Je to vďaka vysoko účinnému princípu fungovania ultrazvuku s vysokou intenzitou energie.
Video nižšie ukazuje proces emulgovania oleja (žltý) vo vode (červená) pomocou laboratórneho ultrazvukového prístroja UP400S.
Princíp fungovania ultrazvukovej emulgácie
Akustická kavitácia: hnacia sila ultrazvukovej emulgácie a nanoemulgácie
Ultrazvuková emulgácia využíva silné účinky akustickej kavitácie, javu, ktorý vzniká pri prechode ultrazvukových vĺn s vysokou intenzitou kvapalinou. Počas tohto procesu sa tvoria mikroskopické bubliny, ktoré rastú a následne prudko kolabujú. Implozívny kolaps týchto bublín vytvára extrémne lokálne podmienky vrátane výrazných gradientov tlaku a teploty, vysokých šmykových síl, rázových vĺn a mikroprúdov kvapaliny. Tieto sily účinne rozrušujú veľké častice, kvapôčky a aglomeráty na oveľa menšie štruktúry.
Obrázok vľavo znázorňuje akustickú kavitáciu vytváranú ultrazvukovým procesorom UIP1000hdT (1000 W), ktorý pracuje v sklenenej kolóne naplnenej kvapalinou.
Ako akustická kavitácia zlepšuje emulgáciu
Pri emulgácii aj nanoemulgácii je intenzita kavitácie kľúčovým faktorom určujúcim veľkosť kvapôčok. Pri kolapse kavitačných bublín vznikajú šmykové sily, ktoré rozbíjajú väčšie kvapôčky na čoraz menšie. Lokálne zmeny tlaku a teploty zároveň podporujú tvorbu nových kvapôčok a pomáhajú stabilizovať emulziu.
Táto kombinácia rozrušovania kvapôčok a stabilizácie umožňuje ultrazvukovej technológii vytvárať vysoko rovnomerné emulzie s distribúciou veľkostí mimoriadne jemných kvapôčok.
Distribúcia veľkostí kvapôčok emulzií vody a olivového oleja pripravených (a) klasickou metódou homogenizácie (b) metódou ultrazvukovej homogenizácie (pomocou UP400S) s MD, WPI a ich zmesou, so 40% obsahom sušiny a 9% obsahom oleja (w/w). Ultrazvuková emulgácia vedie k výrazne menším kvapôčkam, menšiemu krémovaniu a lepšej celkovej stabilite emulzie.
(štúdia a grafy: Zungur et al., 2015)
Ultrazvukové sondy na účinnú emulgáciu
Hielscher ponúka široký sortiment sondových ultrazvukových prístrojov a príslušenstva na účinnú emulgáciu a dispergovanie kvapalín vo vsádzkovom aj prietokovom režime.
Systémy pozostávajúce z viacerých ultrazvukových procesorov, každý s výkonom až 16 000 wattov, poskytujú kapacitu potrebnú na prenesenie tejto laboratórnej aplikácie do účinnej výrobnej metódy na získavanie jemne dispergovaných emulzií v kontinuálnom prietoku alebo vo vsádzke – s výsledkami porovnateľnými s výsledkami najlepších vysokotlakových homogenizátorov dostupných v súčasnosti, ako je nový ventil s clonou. Okrem tejto vysokej účinnosti pri kontinuálnej emulgácii vyžadujú ultrazvukové zariadenia Hielscher veľmi nenáročnú údržbu a ich obsluha a čistenie sú veľmi jednoduché. Ultrazvuk skutočne podporuje čistenie a oplachovanie. Ultrazvukový výkon je nastaviteľný a možno ho prispôsobiť konkrétnym produktom a požiadavkám na emulgáciu. K dispozícii sú aj špeciálne reaktory s prietokovou celou, ktoré spĺňajú pokročilé požiadavky CIP (čistenie na mieste) a SIP (sterilizácia na mieste).
MultiSonoReactor MSR-4 je priemyselný homogenizačný reaktor zapojený priamo do výrobnej linky, vhodný na procesy (nano-)emulgácie s vysokou spracovateľskou kapacitou.
| Objem vsádzky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | nevzťahuje sa | VialTweeter | 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je výkonné príslušenstvo kompatibilné s ultrazvukovými prietokovými reaktormi Hielscher: Pomocou vložky MPC48 sa dispergovaná fáza vstrekuje cez 48 kanýl vo forme tenkých prúdov kvapaliny do zóny intenzívneho pôsobenia ultrazvuku, kde sa dispergovaná fáza a kontinuálna fáza zmiešavajú vo forme drobných kvapôčok na nanoemulziu.
Zistite, ako MultiPhaseCavitator zlepšuje emulgáciu!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom 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
Užitočné fakty
Definícia pojmu „emulzia“
Emulzia je zmes dvoch alebo viacerých navzájom nemiešateľných kvapalín, napríklad oleja a vody.
Emulzie môžu byť typu olej vo vode (keď sú kvapôčky oleja dispergované vo vode) alebo voda v oleji (keď sú kvapôčky vody dispergované v oleji). Emulzie sa používajú v rôznych aplikáciách vrátane potravinárskych výrobkov (napríklad šalátových dresingov a majonézy), kozmetických prípravkov (napríklad telových mliek a krémov) a farmaceutických prípravkov (napríklad vakcín).
Emulgátor pôsobí tak, že znižuje povrchové napätie medzi dvoma nemiešateľnými látkami (napríklad olejom a vodou) v emulzii. Tým sa znižuje tendencia týchto dvoch látok oddeľovať sa a umožňuje sa im vytvoriť stabilnú zmes.
Ako sa dosahuje stabilita emulzie?
Stabilita emulzie sa dosahuje tým, že sa zabraňuje koalescencii dispergovanej fázy (kvapôčok jednej kvapaliny) a jej oddeľovaniu od kontinuálnej fázy (okolitej kvapaliny). Na dosiahnutie stability emulzií je potrebné zohľadniť niekoľko kľúčových bodov:
- Emulgátory (tenzidy):
– Úloha: Emulgátory sú molekuly, ktoré majú hydrofilné (vodu priťahujúce) aj hydrofóbne (vodu odpudzujúce) konce.
– Pôsobenie: Znižujú povrchové napätie medzi dvoma nemiešateľnými kvapalinami a vytvárajú okolo kvapôčok ochrannú vrstvu, ktorá zabraňuje ich koalescencii.
– Príklady: Lecitín, polysorbáty a stearoyllaktylát sodný. - Mechanické metódy:
Vysokovýkonné miešanie: Používanie miešadiel s vysokým šmykovým účinkom alebo homogenizátorov na rozbíjanie kvapôčok na menšie kvapôčky, čím sa zväčšuje plocha ich povrchu a zvyšuje stabilita. Použitie sondových sonikátorov predstavuje vynikajúcu a veľmi spoľahlivú metódu využívajúcu sonomechanické šmykové sily. Tieto ultrazvukové šmykové sily rozbíjajú veľké kvapôčky na drobné kvapôčky a miešajú nemiešateľné fázy do stabilnej emulzie. - Modifikátory viskozity:
Zahusťovadlá: Zvýšenie viskozity kontinuálnej fázy môže spomaliť pohyb kvapôčok, čím sa znižuje pravdepodobnosť koalescencie.
– Príklady: Xantánová guma, guarová guma a karboxymetylcelulóza. - Stabilizačné látky:
– Polyméry: Polyméry môžu zabezpečiť stérickú stabilizáciu vytvorením hrubej vrstvy okolo kvapôčok.
– Príklady: Pektín, želatína a niektoré bielkoviny. - Elektrostatická stabilizácia:
– Náboj: Niektoré emulgátory dodávajú povrchu kvapôčok elektrický náboj, ktorý spôsobuje ich vzájomné odpudzovanie, a tým znižuje koalescenciu.
– Príklady: Kazeinát sodný a sójový lecitín. - Regulácia teploty:
– Chladenie: Zníženie teploty môže zvýšiť viskozitu kontinuálnej fázy a znížiť kinetickú energiu kvapôčok, čím sa zabraňuje koalescencii.
– Predchádzanie oddeľovaniu fáz: Zabezpečenie toho, aby teplota zostala v rozsahu, ktorý zabraňuje oddeľovaniu zložiek. - Prísady:
– Antioxidanty: Predchádzanie oxidácii môže pomôcť zachovať integritu emulgátora a ostatných zložiek.
– Chelatačné činidlá: Viazanie kovových iónov, ktoré by inak mohli destabilizovať emulziu.
Použitím správnej techniky emulgácie možno dosiahnuť stabilitu emulzií a zabezpečiť, aby zmes zostala homogénna a časom si zachovala požadované vlastnosti.
Stabilizujúce emulgátory
Emulzie vo všeobecnosti vyžadujú stabilizáciu pomocou emulgátora alebo povrchovo aktívnej látky. Emulgátory sú amfifilné – priťahujú vodu aj tukové látky. To znamená, že majú hydrofilné (vodu priťahujúce) a hydrofóbne (olej priťahujúce) vlastnosti, ktoré im umožňujú 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.
Obalením olejových kvapôčok molekulami emulgátora vytvára emulgátor okolo kvapôčok ochrannú vrstvu, ktorá zabraňuje ich vzájomnému kontaktu a koalescencii (spájaniu) do väčších kvapôčok. To pomáha udržiavať emulziu stabilnú a zabraňuje oddeľovaniu fáz.
Keďže koalescencia kvapôčok po ich rozrušení ovplyvňuje konečné rozdelenie veľkostí kvapôčok, používajú sa účinne stabilizujúce emulgátory, ktoré udržiavajú konečné rozdelenie veľkostí kvapôčok na úrovni zodpovedajúcej rozdeleniu bezprostredne po rozrušení kvapôčok v ultrazvukovej dispergačnej zóne. Stabilizátory skutočne vedú k lepšiemu rozrušovaniu kvapôčok pri konštantnej hustote energie.
Medzi bežne používané emulgátory patria lecitín (ktorý sa nachádza vo vaječných žĺtkoch a sójových bôboch), mono- a diglyceridy, polysorbát 80 a stearoyllaktylát sodný.
Miniemulzie, ktoré možno účinne vytvárať pôsobením ultrazvuku, zlepšujú chemické reakcie. Makroemulzná polymerizácia (a) v porovnaní s miniemulznou polymerizáciou (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnych až po priemyselné.