Emulgiranje z ultrazvočno kavitacijo
Širok nabor vmesnih izdelkov in izdelkov za široko porabo – kot so kozmetika, losjoni za kožo, farmacevtska mazila, laki, barve, maziva in goriva – v celoti ali deloma temelji na emulzijah.
Hielscher izdeluje največje industrijske ultrazvočne procesorje za tekočine na svetu za učinkovito emulgiranje velikih volumskih tokov v proizvodnih obratih.
Kako deluje ultrazvočno emulgiranje
Laboratorijske uporabe: V laboratorijskem okolju je sposobnost ultrazvoka za emulgiranje že dolgo znana in uporabljana zaradi različnih prednosti, povezanih z ultrazvočno homogenizacijo in emulgiranjem.
Tehnologija
Zanesljivo ultrazvočno emulgiranje temelji na uporabi ultrazvočnih sond, znanih tudi kot sonotrode. Postopek poteka takole:
- Vnos ultrazvočne energije: Prek ultrazvočne sonde se ultrazvok visoke intenzivnosti vnaša v tekočine, pri čemer nastaja akustična kavitacija.
- Učinek kavitacije: Ultrazvočna oziroma akustična kavitacija ustvarja velike strižne sile, ki zagotavljajo potrebno energijo za razbijanje velikih kapljic v kapljice nanometrske velikosti.
- Nastanek emulzije: Dve ali več tekočih faz se zmeša v enakomerno submikronsko emulzijo ali nanoemulzijo.
Povečanje obsega do industrijske ravni s pretočno tehnologijo: Uporaba ultrazvočnih pretočnih celic omogoča linearno povečanje obsega do industrijske proizvodnje nanoemulzij, pri čemer se veliki volumski tokovi obdelujejo v neprekinjenem pretoku.
Ultrazvočna priprava bistre nanoemulzije z ultrazvočno napravo UP400ST.
Prednosti ultrazvočnega emulgiranja
Ultrazvočno emulgiranje z ultrazvočno napravo s sondo ima v primerjavi z drugimi tehnikami emulgiranja več prednosti:
- Izboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvočno emulgiranje ustvarja manjše kapljice in enakomernejšo porazdelitev kapljic, kar izboljša stabilnost emulzije in podaljša rok uporabnosti. Z močnostnim ultrazvokom je mogoče zanesljivo proizvajati kapljice submikronskih in nanometrskih velikosti.
- Energijska učinkovitost: Ultrazvočno emulgiranje zahteva manj energije kot druge metode emulgiranja, zato je energijsko učinkovitejši postopek.
- Prilagodljivost obsega: Obseg ultrazvočnega emulgiranja je mogoče preprosto povečati ali zmanjšati glede na zahtevano prostornino, zato je to vsestranski postopek tako za laboratorijsko kot za industrijsko uporabo.
- Prihranek časa: Ultrazvočno emulgiranje je lahko zelo hiter postopek, pri katerem emulzije nastanejo v nekaj sekundah do nekaj minut, odvisno od tekočin, prostornine in opreme.
- Manjša potreba po površinsko aktivnih snoveh: Ultrazvočno emulgiranje lahko zmanjša potrebo po površinsko aktivnih snoveh, ki so pogosto potrebne za stabilizacijo emulzij. Vendar se z zmanjšanjem velikosti kapljice poveča površina delca, zato mora površinsko aktivna snov prekriti večjo površino. Sonikacija je združljiva s skoraj vsemi vrstami površinsko aktivnih snovi, vključno z alternativnimi in novimi emulgatorji.
- Minimalno in nadzorovano nastajanje toplote: Ultrazvočno emulgiranje je netermični postopek, pri katerem se je mogoče izogniti nastajanju toplote med obdelavo ali ga v manjši meri zmanjšati. S tem se zmanjša tveganje toplotne razgradnje občutljivih spojin ali sestavin.
Zaradi prednosti ultrazvočnega emulgiranja z ultrazvočno napravo s sondo je ta postopek odlična izbira za emulgiranje na različnih področjih, vključno s hrano in pijačami, farmacijo, kozmetiko, finimi kemikalijami in gorivi.
Preberite več o ultrazvočnem emulgiranju majoneze!
Preberite več o proizvodnji emulzij parafinskega voska s sonikacijo!
Preberite več o emulzijah vode v dizelskem gorivu, proizvedenih z ultrazvokom!
Meritev DLS prikazuje enakomerno porazdelitev velikosti kapljic ultrazvočno proizvedene emulzije rožnega olja v vodi.
Kaj je emulzija?Emulzije so disperzije dveh ali več tekočin, ki se med seboj ne mešajo. Ultrazvok zelo visoke intenzivnosti zagotavlja moč, potrebno za dispergiranje tekoče faze (dispergirane faze) v obliki majhnih kapljic v drugi fazi (zvezni fazi). V območju dispergiranja implodirajoči kavitacijski mehurčki povzročajo močne udarne valove v okoliški tekočini in nastanek tekočinskih curkov z veliko hitrostjo tekočine.
Nanoemulzije – zmogljiva uporaba ultrazvočnih naprav
Nanoemulzije so emulzije s kapljicami, ki so običajno manjše od 100 nanometrov. Nanoemulzije imajo v primerjavi z običajnimi emulzijami več prednosti, med drugim edinstvene funkcionalne lastnosti, večjo stabilnost, prozornost itd.
Sonikacija prekaša tradicionalne tehnologije emulgiranja, zlasti pri nastajanju nanoemulzij. To je posledica zelo učinkovitega in energijsko intenzivnega načela delovanja ultrazvoka.
Spodnji videoposnetek prikazuje postopek emulgiranja olja (rumeno) v vodi (rdeče) z laboratorijsko ultrazvočno napravo UP400S.
Načelo delovanja ultrazvočnega emulgiranja
Akustična kavitacija: gonilna sila ultrazvočnega emulgiranja in nanoemulgiranja
Ultrazvočno emulgiranje temelji na močnih učinkih akustične kavitacije, pojava, ki nastane, ko ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti prehajajo skozi tekočino. Med tem postopkom nastajajo mikroskopski mehurčki, rastejo in nato silovito kolapsirajo. Implozijski kolaps teh mehurčkov ustvarja ekstremne lokalne razmere, vključno z velikimi gradienti tlaka in temperature, velikimi strižnimi silami, udarnimi valovi in tekočinskimi mikrocurki. Te sile učinkovito razbijajo velike delce, kapljice in aglomerate v veliko manjše strukture.
Slika na levi prikazuje akustično kavitacijo, ki jo ustvarja ultrazvočni procesor UIP1000hdT (1000 W), delujoč v steklenem stolpcu, napolnjenem s tekočino.
Kako akustična kavitacija izboljša emulgiranje
Tako pri emulgiranju kot pri nanoemulgiranju je intenzivnost kavitacije ključni dejavnik pri določanju velikosti kapljic. Ko kavitacijski mehurčki kolapsirajo, nastale strižne sile razbijajo večje kapljice v vse manjše. Hkrati lokalne spremembe tlaka in temperature spodbujajo nastanek novih kapljic ter pomagajo stabilizirati emulzijo.
Ta kombinacija razbijanja kapljic in stabilizacije omogoča ultrazvočni tehnologiji proizvodnjo zelo enakomernih emulzij s porazdelitvami velikosti izjemno drobnih kapljic.
Porazdelitev velikosti kapljic emulzij vode in oljčnega olja, pripravljenih z (a) klasično metodo homogenizacije in (b) metodo ultrazvočne homogenizacije (z uporabo UP400S) z MD, WPI in njuno mešanico, s 40% suhe snovi in 9% vsebnostjo olja (w/w). Ultrazvočno emulgiranje povzroči bistveno manjše kapljice, manj izločanja smetanaste plasti in boljšo splošno stabilnost emulzije.
(študija in grafi: Zungur et al., 2015)
Ultrazvočne sonde za učinkovito emulgiranje
Hielscher ponuja širok nabor ultrazvočnih naprav s sondo in dodatne opreme za učinkovito emulgiranje in dispergiranje tekočin v šaržnem in pretočnem načinu.
Sistemi, sestavljeni iz več ultrazvočnih procesorjev, vsak z močjo do 16.000 vatov, zagotavljajo zmogljivost, potrebno za pretvorbo te laboratorijske uporabe v učinkovito proizvodno metodo za pridobivanje fino dispergiranih emulzij v neprekinjenem pretoku ali šaržno – pri čemer dosegajo rezultate, primerljive z rezultati danes najboljših razpoložljivih visokotlačnih homogenizatorjev, kot je novi ventil z odprtino. Poleg te visoke učinkovitosti pri neprekinjenem emulgiranju ultrazvočne naprave Hielscher zahtevajo zelo malo vzdrževanja ter so zelo preproste za upravljanje in čiščenje. Ultrazvok dejansko pomaga pri čiščenju in izpiranju. Ultrazvočna moč je nastavljiva in jo je mogoče prilagoditi posameznim izdelkom in zahtevam emulgiranja. Na voljo so tudi posebni reaktorji s pretočnimi celicami, ki izpolnjujejo napredne zahteve CIP (čiščenje na mestu) in SIP (sterilizacija na mestu).
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski homogenizacijski reaktor za vgradnjo v pretočni vod, primeren za postopke (nano)emulgiranja z veliko zmogljivostjo obdelave.
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je zmogljiv dodatek, združljiv z reaktorji z ultrazvočnimi pretočnimi celicami Hielscher: z uporabo vložka MPC48 se dispergirana faza skozi 48 kanil v obliki tankih tekočinskih niti vbrizgava v ultrazvočno vročo cono, kjer se dispergirana in zvezna faza zmešata v obliki drobnih kapljic v nanoemulzijo.
Odkrijte, kako MultiPhaseCavitator izboljša emulgiranje!
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Literatura / Reference
- 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
Koristna dejstva
Opredelitev izraza »emulzija«
Emulzija je mešanica dveh ali več tekočin, ki se med seboj ne mešajo, kot sta olje in voda.
Emulzije so lahko olje v vodi (kjer so kapljice olja dispergirane v vodi) ali voda v olju (kjer so kapljice vode dispergirane v olju). Emulzije se uporabljajo na različnih področjih, vključno z živili (kot so solatni prelivi in majoneza), kozmetiko (kot so losjoni in kreme) ter farmacevtskimi izdelki (kot so cepiva).
Emulgator deluje tako, da zmanjšuje površinsko napetost med snovema, ki se med seboj ne mešata (kot sta olje in voda), v emulziji. S tem zmanjša težnjo teh dveh snovi po ločevanju in jima omogoči, da tvorita stabilno mešanico.
Kako stabiliziramo emulzijo?
Emulzijo stabiliziramo tako, da preprečimo koalescenco dispergirane faze (kapljic ene tekočine) in njeno ločevanje od zvezne faze (okoliške tekočine). Za doseganje stabilnosti emulzij je treba upoštevati več ključnih dejavnikov:
- Emulgatorji (površinsko aktivne snovi):
– Vloga: Emulgatorji so molekule, ki imajo hidrofilne (privlačijo vodo) in hidrofobne (odbijajo vodo) konce.
– Delovanje: Zmanjšujejo površinsko napetost med tekočinama, ki se med seboj ne mešata, in tvorijo zaščitno plast okoli kapljic, s čimer preprečujejo njihovo koalescenco.
– Primeri: Lecitin, polisorbati in natrijev stearoil laktilat. - Mehanske metode:
Visokozmogljivo mešanje: Uporaba mešalnikov z velikimi strižnimi silami ali homogenizatorjev za razbijanje kapljic v manjše kapljice, s čimer se poveča površina in izboljša stabilnost. Ultrazvočne naprave s sondo zagotavljajo odlično in zelo zanesljivo metodo, ki uporablja sonomehanske strižne sile. Te ultrazvočne strižne sile razbijajo velike kapljice v drobne kapljice in mešajo faze, ki se med seboj ne mešajo, v stabilno emulzijo. - Sredstva za uravnavanje viskoznosti:
Zgoščevala: Povečanje viskoznosti zvezne faze lahko upočasni gibanje kapljic in zmanjša verjetnost koalescence.
– Primeri: Ksantanski gumi, guarjev gumi in karboksimetilceluloza. - Stabilizacijska sredstva:
– Polimeri: Polimeri lahko zagotavljajo sterično stabilizacijo z oblikovanjem debele plasti okoli kapljic.
– Primeri: Pektin, želatina in nekatere beljakovine. - Elektrostatična stabilizacija:
– Naboj: Nekateri emulgatorji površini kapljic podelijo električni naboj, zaradi katerega se kapljice med seboj odbijajo, kar zmanjša koalescenco.
– Primeri: Natrijev kazeinat in sojin lecitin. - Uravnavanje temperature:
– Hlajenje: Znižanje temperature lahko poveča viskoznost zvezne faze in zmanjša kinetično energijo kapljic, s čimer preprečuje koalescenco.
– Preprečevanje ločevanja faz: Zagotavljanje, da temperatura ostane v območju, ki preprečuje ločevanje sestavin. - Dodatki:
– Antioksidanti: Preprečevanje oksidacije lahko pomaga ohranjati celovitost emulgatorja in drugih sestavin.
– Kelatna sredstva: Vezava kovinskih ionov, ki bi sicer lahko destabilizirali emulzijo.
Z uporabo ustrezne tehnike emulgiranja je mogoče emulzije stabilizirati, s čimer zagotovimo, da mešanica sčasoma ostane homogena in ohrani želene lastnosti.
Stabilizacijski emulgatorji
Na splošno emulzije zahtevajo stabilizacijo z emulgatorjem ali površinsko aktivno snovjo. Emulgatorji so amfifilni – privlačijo tako vodo kot maščobne snovi. To pomeni, da imajo hidrofilne (z afiniteto do vode) in hidrofobne (z afiniteto do olja) lastnosti, kar jim omogoča interakcijo tako z oljno kot z vodno fazo emulzije. Hidrofilni del molekule emulgatorja se veže na molekule vode, hidrofobni del pa na molekule olja.
Emulgator z obdajanjem oljnih kapljic s svojimi molekulami ustvari zaščitno plast okoli kapljic, ki preprečuje njihov medsebojni stik in koalescenco (združevanje) v večje kapljice. To pomaga ohranjati stabilnost emulzije in preprečuje ločevanje.
Ker koalescenca kapljic po razbitju vpliva na končno porazdelitev velikosti kapljic, se uporabljajo emulgatorji z učinkovitim stabilizacijskim delovanjem, da se končna porazdelitev velikosti kapljic ohrani na ravni, enaki porazdelitvi neposredno po razbitju kapljic v ultrazvočnem območju dispergiranja. Stabilizatorji dejansko izboljšajo razbijanje kapljic pri konstantni gostoti energije.
Primeri pogosto uporabljenih emulgatorjev vključujejo lecitin (ki ga najdemo v jajčnih rumenjakih in sojinih zrnih), mono- in digliceride, polisorbat 80 in natrijev stearoil laktilat.
Miniemulzije, ki jih je mogoče učinkovito ustvariti s sonikacijo, izboljšajo kemijske reakcije. Polimerizacija v makroemulziji (a) v primerjavi s polimerizacijo v miniemulziji (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.