Emulgácia ultrazvukovou kavitáciou
Široká škála medziproduktov a spotrebných produktov, ako sú kozmetika a pleťové vody, farmaceutické masti, laky, farby a mazivá a palivá, je úplne alebo čiastočne založená na emulziách. Spoločnosť Hielscher vyrába najväčšie priemyselné ultrazvukové kvapalinové procesory na svete na efektívnu emulgáciu veľkoobjemových prúdov vo výrobných závodoch.
Ultrazvuková emulgácia
V laboratóriu je emulgačná sila ultrazvuku známa a uplatňovaná už dlho vďaka rôznym výhodám, ktoré sú spojené s ultrazvukovou homogenizáciou a emulgáciou. Spoľahlivá ultrazvuková emulgácia je založená na použití ultrazvukových sond, tzv. sonotrod. Prostredníctvom ultrazvukovej sondy sa ultrazvuk s vysokou intenzitou spája s kvapalinami a vytvára akustickú kavitáciu. Ultrazvuková alebo akustická kavitácia vytvára vysoké šmykové sily, ktoré poskytujú potrebnú energiu na narušenie veľkých kvapiek až po kvapôčky nanoveľkosti. Tým sa dve alebo viac kvapalných fáz zmiešajú do rovnomernej submikronovej alebo nanoemulzie.
Použitie ultrazvukových prietokových článkov umožňuje lineárne škálovanie až po priemyselnú výrobu nanoemulzií, ktoré spracúvajú veľké objemové prúdy v nepretržitom prietoku.
Viacfázový kavitátor: Jedinečná vložka prietokového článku Hielscher MPC48 je výkonné príslušenstvo kompatibilné s reaktormi ultrazvukových prietokových článkov Hielscher. Pomocou vložky MPC48 sa dispergovaná fáza vstrekuje cez 48 kanyl ako tenké kvapalné vlákna do ultrazvukovej horúcej zóny, kde sa dispergovaná fáza a kontinuálna fáza zmiešajú ako drobné kvapôčky do nanoemulzie. Prečítajte si viac o vložke ultrazvukového prietokového článku MPC48!
Ultrazvukové prístroje sú spoľahlivé a účinné pri výrobe emulzií submikrónovej a nanoveľkosti.
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!
Ultrazvuková príprava emulzie olej vo vode (O/W) (červená voda / žltý olej). Niekoľko sekúnd sonikácie premení jednotlivé fázy vody / oleja na jemnú emulziu.
Video nižšie ukazuje proces emulgácie oleja (žltá) na vodu (červená) pomocou laboratórneho ultrazvuku UP400S.
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.
Miniemulzie, ktoré je možné efektívne vytvoriť ultrazvukom, zvyšujú chemické reakcie. Makroemulzná polymerizácia (a) verzus miniemulzná polymerizácia (b) [Schork et al. 2005: 136]
nanoemulzie – Aplikácia napájania pre ultrazvukové prístroje
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.
Princíp činnosti ultrazvukovej emulgácie
Ultrazvukové emulgačné procesy využívajú sily akustickej kavitácie. Akustická kavitácia sa vzťahuje na jav tvorby, rastu a implozivného kolapsu malých bublín v kvapalnom prostredí vystavenom ultrazvukovým vlnám vysokej intenzity. Implózia týchto bublín vytvára intenzívne lokálne tlakové a teplotné gradienty, ktoré môžu vytvárať vysoké šmykové sily, rázové vlny a mikroprúdy, ktoré môžu rozložiť veľké častice a aglomeráty na menšie. Obrázok vľavo demonštruje ultrazvukovú kavitáciu generovanú sondou ultrazvuku UIP1000hdT (1000 wattov) v sklenenej kolóne naplnenej kvapalinou.
Pri emulgácii a nanoemulgácii zohráva intenzita akustickej kavitácie rozhodujúcu úlohu pri zmenšovaní veľkosti kvapiek v emulzii. Imploziívny kolaps kavitačných bublín môže vytvoriť silné šmykové sily, ktoré rozkladajú väčšie kvapôčky na menšie. Okrem toho môžu lokálne tlakové a teplotné gradienty generované kavitáciou tiež podporovať tvorbu nových kvapôčok a stabilizovať emulziu.
Jedinečným aspektom akustické kavitácie je jej schopnosť poskytovať lokalizovaný a intenzívny energetický vstup do kvapalného média bez potreby vysokého mechanického alebo tepelného namáhania. To z neho robí atraktívnu techniku nanoemulgácie, pretože môže znížiť energetický vstup potrebný na proces emulgácie a zároveň dosiahnuť menšiu veľkosť kvapiek a užšiu distribúciu veľkosti kvapiek.
Vďaka týmto presne regulovateľným ultrazvukovým silám je akustická kavitácia silným nástrojom na nanoemulgáciu. Jeho schopnosť generovať lokalizovaný a intenzívny energetický vstup umožňuje rozkladať väčšie kvapôčky a vytvárať submikrónové a nanokvapôčky s veľmi vysokou účinnosťou.
Štúdie emulzií olej vo vode (vodná fáza) a voda v oleji (olejová fáza) preukázali koreláciu medzi hustotou energie a veľkosťou kvapiek (napr. priemer Sauter). Existuje jasná tendencia menšej veľkosti kvapiek pri zvyšujúcej sa hustote energie (kliknite na obrázok vpravo). Pri vhodných úrovniach hustoty energie môže ultrazvuk ľahko a spoľahlivo dosiahnuť priemerné veľkosti kvapiek v nanorozsahu.
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!
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.
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 emulgácie môžu byť emulzie stabilné, čím sa zabezpečí, že zmes zostane homogénna a časom si zachová svoje požadované vlastnosti.
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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.