Emulgiranje z ultrazvočno kavitacijo
Široka paleta izdelkov za nadaljnjo predelavo in potrošniških izdelkov – kot so kozmetika, losjoni za kožo, farmacevtske mazila, laki, barve, maziva in goriva – so v celoti ali delno narejeni na osnovi emulzij.
Podjetje Hielscher proizvaja največje industrijske ultrazvočne naprave za obdelavo tekočin na svetu, namenjene učinkoviti emulgaciji velikih količin v proizvodnih obratih.
Kako deluje ultrazvočna emulzifikacija
Uporaba v laboratoriju: V laboratorijskih razmerah je emulzifikacijska moč ultrazvoka znana in se uporablja že dolgo časa zaradi številnih prednosti, povezanih z ultrazvočno homogenizacijo in emulzifikacijo.
Tehnologija
Zanesljiva ultrazvočna emulgacija temelji na uporabi ultrazvočnih sond, znanih tudi kot sonotrode. Postopek poteka na naslednji način:
- Ultrazvočni prevodnik: Prek ultrazvočne sonde se v tekočine prenaša ultrazvok visoke intenzivnosti, kar povzroči akustično kavitacijo.
- Kavitacijski učinek: Ultrazvočna ali akustična kavitacija ustvarja velike strižne sile, ki zagotavljajo potrebno energijo za drobljenje velikih kapljic na kapljice nanovelikosti.
- Nastanek emulzije: Dve ali več tekočih faz se zmeša v enotno submikronsko ali nanoemulzijo.
Industrijsko povečanje obsega s tehnologijo pretoka: Uporaba ultrazvočnih pretočnih celic omogoča linearno povečanje obsega do industrijske proizvodnje nanoemulzij, pri čemer se obdelujejo tokovi velikih količin v neprekinjenem pretočnem načinu.
Ultrazvočna priprava prozorne nanoemulzije z ultrazvočnim aparatom UP400ST.
Prednosti ultrazvočne emulzifikacije
Ultrazvočna emulzifikacija z ultrazvočnim zvočnim aparatom tipa sonde ponuja več prednosti pred drugimi tehnikami emulgiranja:
- Izboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvočna emulzifikacija ustvarja manjše velikosti kapljic in bolj enakomerno porazdelitev kapljic, kar ima za posledico izboljšano stabilnost emulzije in daljši rok uporabnosti. Kapljice submikronske in nanovelikosti je mogoče zanesljivo proizvajati z uporabo ultrazvoka.
- Energetska učinkovitost: Ultrazvočna emulzifikacija zahteva manj energije kot druge metode emulgiranja, zaradi česar je energetsko učinkovitejši proces.
- Razširljivost: Ultrazvočno emulgiranje je mogoče enostavno povečati ali zmanjšati, odvisno od zahtevane količine, zaradi česar je vsestranski proces za laboratorijske in industrijske aplikacije.
- Prihranek časa: Ultrazvočna emulgacija je lahko zelo hiter proces, pri čemer se emulzije oblikujejo v nekaj sekundah do minutah, odvisno od tekočin, volumna in opreme.
- Zmanjšana potreba po površinsko aktivnih snoveh: Ultrazvočna emulgacija lahko zmanjša potrebo po površinsko aktivnih snoveh, ki so pogosto potrebne za stabilizacijo emulzij. Vendar pa se z zmanjšano velikostjo kapljic poveča površina delca in več površine mora pokriti površinsko aktivna snov. Ultrasonication je združljiv s skoraj vsemi vrstami površinsko aktivnih snovi, vključno z alternativnimi in novimi emulgatorji.
- Minimalno in nadzorovano nastajanje toplote: Ultrazvočna emulgacija je netoplotni proces in nastajanju toplote med obdelavo se je mogoče izogniti ali zmanjšati v majhni meri. S tem se zmanjša tveganje toplotne razgradnje občutljivih spojin ali sestavin.
Prednosti ultrazvočne emulgacije z uporabo ultrazvočnega sonde so odlična izbira za emulgiranje na različnih področjih, vključno s hrano in pijačo, farmacevtskimi izdelki, kozmetiko, finimi kemikalijami in gorivi.
Preberite več o ultrazvočni emulgaciji majoneze!
Preberite več o proizvodnji emulzij parafinskega voska z uporabo ultrazvočne obdelave!
Preberite več o emulzijah voda v dizelskem gorivu, proizvedenih z ultrazvokom!
Meritev z metodo DLS kaže enakomerno porazdelitev velikosti kapljic v ultrazvočno proizvedeni emulziji rožnega olja v vodi.
Kaj je emulzija?Emulzije so disperzije dveh ali več tekočin, ki se ne mešajo. Visoko intenziven ultrazvok zagotavlja moč, potrebno za razpršitev tekoče faze (dispergirana faza) v majhnih kapljicah v drugi fazi (neprekinjena faza). V disperzijskem območju implodirajoči kavitacijski mehurčki povzročajo intenzivne udarne valove v okoliški tekočini in povzročijo nastanek tekočih curkov visoke hitrosti tekočine.
nano-emulzije – Uporaba ultrazvoka v industriji
Nanoemulzije so emulzije s kapljicami, ki so običajno manjše od 100 nanometrov. Nanoemulzije ponujajo več prednosti pred običajnimi emulzijami, vključno z edinstvenimi funkcionalnimi lastnostmi, večjo stabilnostjo, preglednostjo itd.
Ultrasonication presega tradicionalne tehnologije emulgiranja, zlasti ko gre za tvorbo nanoemulzij. To je posledica visoko učinkovitega in energetsko intenzivnega principa delovanja ultrazvoka.
Spodnji videoposnetek prikazuje postopek emulgiranja olja (rumeno) v vodo (rdeče) z uporabo laboratorijskega ultrazvočnega aparata UP400S.
Načelo delovanja ultrazvočne emulgacije
Akustična kavitacija: gonilna sila ultrazvočne in nanoemulgacije
Ultrazvočna emulzifikacija temelji na močnih učinkih akustične kavitacije, pojava, ki nastane, ko visoko intenzivni ultrazvočni valovi prehajajo skozi tekočino. Med tem procesom se tvorijo mikroskopske mehurčki, ki rastejo in nato nasilno eksplodirajo. Implozivni kolaps teh mehurčkov ustvarja ekstremne lokalizirane pogoje, vključno z intenzivnimi tlaki in temperaturnimi gradienti, visokimi strižnimi silami, udarnimi valovi in mikrostrumi tekočine. Te sile učinkovito razbijajo velike delce, kapljice in aglomerate v veliko manjše strukture.
Slika na levi prikazuje akustično kavitacijo, ki jo povzroča ultrazvočni procesor UIP1000hdT (1000 W) med delovanjem v stekleni koloni, napolnjeni s tekočino.
Kako akustična kavitacija izboljša emulzifikacijo
Tako pri emulzifikaciji kot pri nanoemulzifikaciji je intenzivnost kavitacije ključni dejavnik pri določanju velikosti kapljic. Ko se kavitacijski mehurčki sesedejo, nastale strižne sile razdrobijo večje kapljice na vse manjše. Hkrati lokalne spremembe tlaka in temperature spodbujajo nastajanje novih kapljic, hkrati pa pomagajo stabilizirati emulzijo.
Ta kombinacija razbijanja in stabilizacije kapljic omogoča ultrazvočni tehnologiji, da proizvaja izjemno enotne emulzije z izredno fino porazdelitvijo velikosti kapljic.
Porazdelitev velikosti kapljic v emulzijah vode in oljčnega olja, pripravljenih z (a) klasično metodo homogenizacije in (b) metodo ultrazvočne homogenizacije (z uporabo naprave UP400S) z MD, WPI in njihovo mešanico, ki vsebuje 40 % suhe snovi in 9 % olja (m/m). Ultrazvočna emulgacija zagotavlja znatno manjše kapljice, manj ločevanja in boljšo splošno stabilnost emulzije.
(študija in grafi: Zungur et al., 2015)
Ultrazvočne sonde za učinkovito emulgiranje
Hielscher ponuja široko paleto ultrazvočnih sond in dodatkov za učinkovito emulgiranje in razprševanje tekočin v šaržnem in pretočnem načinu.
Sistemi, sestavljeni iz več ultrazvočnih procesorjev do 16.000 vatov, zagotavljajo zmogljivost, potrebno za prevajanje te laboratorijske aplikacije v učinkovito proizvodno metodo za pridobivanje fino razpršenih emulzij v neprekinjenem pretoku ali v seriji – doseganje rezultatov, primerljivih z današnjimi najboljšimi visokotlačnimi homogenizatorji, kot je novi odprti ventil. Poleg te visoke učinkovitosti pri neprekinjenem emulgiranju Hielscher ultrazvočne naprave zahtevajo zelo nizko vzdrževanje in so zelo enostavne za uporabo in čiščenje. Ultrazvok dejansko podpira čiščenje in izpiranje. Ultrazvočna moč je nastavljiva in jo je mogoče prilagoditi določenim izdelkom in zahtevam emulgiranja. Na voljo so tudi posebni reaktorji pretočnih celic, ki izpolnjujejo napredne zahteve CIP (čiščenje na mestu) in SIP (sterilizacija na mestu).
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizacijski reaktor, primeren za (nano)emulgatorske procese z visoko prepustnostjo.
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Večfazni kavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator je zmogljiv dodatek, združljiv z ultrazvočnimi reaktorji s pretočno celico podjetja Hielscher: z uporabo vložka MPC48 se disperzna faza vbrizga prek 48 kanil v obliki tankih tekočih niti v ultrazvočno vročo cono, kjer se disperzna faza in neprekinjena faza v obliki drobnih kapljic pomešata v nanoemulzijo.
Odkrijte, kako MultiPhaseCavitator izboljša emulgacijo!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
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
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Opredelitev pojma “emulzija”
Emulzija je mešanica dveh ali več tekočin, ki se ne mešajo, kot sta olje in voda.
Emulzije so lahko olje v vodi (kjer se kapljice olja razpršijo v vodi) ali voda v olju (kjer se vodne kapljice razpršijo v olju). Emulzije se uporabljajo v različnih aplikacijah, vključno z živilskimi izdelki (kot so solatni prelivi in majoneza), kozmetiko (kot so losjoni in kreme) in farmacevtskimi izdelki (kot so cepiva).
Emulgator deluje tako, da zmanjša površinsko napetost med dvema snovma, ki se ne mešata (kot sta olje in voda) v emulziji. To zmanjšuje nagnjenost obeh snovi k ločevanju in jim omogoča, da tvorita stabilno zmes.
Kako je emulzija stabilna?
Emulzija postane stabilna tako, da prepreči, da bi se dispergirana faza (kapljice ene tekočine) združila in ločila od neprekinjene faze (okoliške tekočine). Za doseganje stabilnosti emulzij je treba upoštevati več ključnih točk:
- Emulgatorji (površinsko aktivne snovi):
– Vloga: Emulgatorji so molekule, ki imajo hidrofilne (privabljanje vode) in hidrofobne (vodoodbojne) konce.
– Dejanje: Zmanjšujejo površinsko napetost med dvema tekočinama, ki se ne mešajo, in tvorijo zaščitno plast okoli kapljic, ki preprečuje njihovo združevanje.
– Primeri: lecitin, polisorbati in natrijev stearoil laktilat. - Mehanske metode:
Visoko zmogljivo mešanje: Uporaba visoko strižnih mešalnikov ali homogenizatorjev za razbijanje kapljic na manjše velikosti, povečanje površine in povečanje stabilnosti. Sondni zvočni aparati so odlična in zelo zanesljiva metoda, ki uporablja sonomehanske strižne sile. Te ultrazvočne strižne sile razbijejo velike kapljice v majhne kapljice in mešajo faze, ki se ne mešajo, v stabilno emulzijo. - Modifikatorji viskoznosti:
Zgoščevalci: Povečanje viskoznosti neprekinjene faze lahko upočasni gibanje kapljic in zmanjša verjetnost koalescence.
– Primeri: Ksantanski gumi, guar gumi in karboksimetil celuloza. - Stabilizatorji:
– Polimerov: Polimeri lahko zagotovijo sterično stabilizacijo tako, da tvorijo debelo plast okoli kapljic.
– Primeri: Pektin, želatina in nekatere beljakovine. - Elektrostatična stabilizacija:
– Stroški: Nekateri emulgatorji dajejo električni naboj na površino kapljic, zaradi česar se med seboj odbijajo in tako zmanjšujejo koalescenco.
– Primeri: Natrijev kazeinat in sojin lecitin. - Nadzor temperature:
– Hlajenje: Znižanje temperature lahko poveča viskoznost neprekinjene faze in zmanjša kinetično energijo kapljic, kar preprečuje koalescenco.
– Izogibanje ločevanju faz: Zagotavljanje, da temperatura ostane v območju, ki preprečuje ločevanje komponent. - Dodatkov:
– Antioksidantov: Preprečevanje oksidacije lahko pomaga ohraniti celovitost emulgatorja in drugih sestavin.
– Kelatna sredstva: Vezave kovinskih ionov, ki bi sicer lahko destabilizirali emulzijo.
Z uporabo prave tehnike emulgiranja lahko emulzije postanejo stabilne, kar zagotavlja, da zmes ostane homogena in sčasoma ohrani želene lastnosti.
Stabilizacijski emulgatorji
Na splošno emulzije zahtevajo stabilizacijo z emulgirnim sredstvom ali površinsko aktivno snovjo. Emulgatorji so amfifilni - pritegnejo tako vodo kot maščobne snovi. To pomeni, da imajo hidrofilne (vodoljubne) in hidrofobne (ljubeče olje) lastnosti, kar jim omogoča interakcijo z oljno in vodno fazo emulzije. Hidrofilni del molekule emulgatorja se veže na molekule vode, medtem ko se hidrofobni del veže na molekule olja.
Z obkroženjem kapljic olja z molekulami emulgatorja emulgator ustvari zaščitno plast okoli kapljic, ki preprečuje, da bi prišli v stik med seboj in se združili (združili) v večje kapljice. To pomaga ohranjati stabilno emulzijo in preprečuje ločevanje.
Ker koalescenca kapljic po motnji vpliva na končno porazdelitev velikosti kapljic, se učinkovito stabilizacijski emulgatorji uporabljajo za vzdrževanje končne porazdelitve velikosti kapljic na ravni, ki je enaka porazdelitvi takoj po prekinitvi kapljic v ultrazvočnem disperzijskem območju. Stabilizatorji dejansko vodijo do izboljšanih motenj kapljic pri konstantni gostoti energije.
Primeri pogosto uporabljenih emulgatorjev vključujejo lecitin (ki ga najdemo v jajčnih rumenjakih in soji), mono- in digliceride, polisorbat 80 in natrijev stearoil laktilat.
Miniemulzije, ki jih je mogoče učinkovito ustvariti z ultrazvokom, izboljšajo kemične reakcije. Makroemulzijska polimerizacija (a) v primerjavi z miniemulzijsko polimerizacijo (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.