Emulsifikimi me kavitacion ultrasonik

Një gamë e gjerë produktesh të ndërmjetme dhe të konsumit – si kozmetika, locionet për lëkurën, pomadat farmaceutike, llaqet, bojërat, lubrifikantët dhe karburantet – bazohen tërësisht ose pjesërisht në emulsione.
Hielscher prodhon përpunuesit industrialë ultrasonikë të lëngjeve më të mëdhenj në botë për emulsifikimin efikas të rrjedhave me vëllim të madh në impiantet e prodhimit.

Si funksionon emulsifikimi me ultratinguj

Zbatime laboratorike: Në mjediset laboratorike, aftësia emulsifikuese e ultratingujve njihet dhe zbatohet prej kohësh për shkak të përfitimeve të ndryshme që lidhen me homogjenizimin dhe emulsifikimin me ultratinguj.

Teknologjia

Emulsifikimi i besueshëm me ultratinguj bazohet në përdorimin e sondave ultrasonike, të njohura edhe si sonotroda. Procesi funksionon si më poshtë:

1. Çiftimi i ultratingujve: Përmes sondës ultrasonike, ultratingujt me intensitet të lartë transmetohen në lëngje, duke krijuar kavitacion akustik.
2. Efekti i kavitacionit: Kavitacioni ultrasonik ose akustik gjeneron forca të larta prerëse, të cilat sigurojnë energjinë e nevojshme për t’i copëtuar pikat e mëdha deri në pika me përmasa nanometrike.
3. Formimi i emulsionit: Dy ose më shumë faza të lëngshme përzihen për të formuar një emulsion uniform submikronik ose nanometrik.

 
Kalimi në shkallë industriale përmes teknologjisë me rrjedhje të vazhdueshme: Përdorimi i qelizave ultrasonike të rrjedhjes mundëson rritjen lineare të shkallës deri në prodhimin industrial të nanoemulsioneve, duke përpunuar rrjedha me vëllim të madh në regjim rrjedhjeje të vazhdueshme.

Përparësitë e emulsifikimit me ultratinguj

Emulsifikimi me ultratinguj duke përdorur një aparat ultrasonik me sondë ofron disa përparësi krahasuar me teknikat e tjera të emulsifikimit:

1. Qëndrueshmëri e përmirësuar e emulsionit: Emulsifikimi me ultratinguj krijon pika me përmasa më të vogla dhe një shpërndarje më uniforme të tyre, duke sjellë qëndrueshmëri të përmirësuar të emulsionit dhe afat më të gjatë ruajtjeje. Pikat me përmasa submikronike dhe nanometrike mund të prodhohen në mënyrë të besueshme duke përdorur ultratinguj me fuqi të lartë.
2. Efikasitet energjetik: Emulsifikimi me ultratinguj kërkon më pak energji sesa metodat e tjera të emulsifikimit, duke e bërë atë një proces më efikas nga ana energjetike.
3. Mundësi ndryshimi të shkallës: Shkalla e emulsifikimit me ultratinguj mund të rritet ose të zvogëlohet lehtësisht në varësi të vëllimit të kërkuar, duke e bërë atë një proces të gjithanshëm si për zbatime laboratorike, ashtu edhe për zbatime industriale.
4. Kursim kohe: Emulsifikimi me ultratinguj mund të jetë një proces shumë i shpejtë, ku emulsionet formohen brenda sekondave deri në minuta, në varësi të lëngjeve, vëllimit dhe pajisjeve.
5. Nevojë e reduktuar për surfaktantë: Emulsifikimi me ultratinguj mund të reduktojë nevojën për surfaktantë, të cilët shpesh nevojiten për të stabilizuar emulsionet. Megjithatë, me zvogëlimin e përmasës së pikave, sipërfaqja e grimcës rritet dhe një sipërfaqe më e madhe duhet të mbulohet nga një surfaktant. Trajtimi me ultratinguj është i pajtueshëm me pothuajse çdo lloj surfaktanti, përfshirë emulsifikuesit alternativë dhe të rinj.
6. Gjenerim minimal dhe i kontrollueshëm i nxehtësisë: Emulsifikimi me ultratinguj është një proces jotermik dhe gjenerimi i nxehtësisë gjatë përpunimit mund të shmanget ose të reduktohet në një masë të vogël. Në këtë mënyrë, reduktohet rreziku i degradimit termik të përbërjeve ose përbërësve të ndjeshëm.

Përparësitë e emulsifikimit me ultratinguj duke përdorur një aparat ultrasonik me sondë e bëjnë atë një zgjedhje të shkëlqyer për emulsifikim në fusha të ndryshme, përfshirë ushqimet dhe pijet, produktet farmaceutike, kozmetikën, kimikatet fine dhe karburantet.
Lexoni më shumë rreth emulsifikimit të majonezës me ultratinguj!
Lexoni më shumë rreth prodhimit të emulsioneve të dyllit të parafinës duke përdorur trajtimin me ultratinguj!
Lexoni më shumë rreth emulsioneve të ujit në naftë dizel të prodhuara duke përdorur ultratinguj!

Matja DLS tregon shpërndarjen uniforme të përmasave të pikave të një emulsioni të vajit të trëndafilit në ujë, të prodhuar me ultratinguj.

Çfarë është një emulsion?
Emulsionet janë dispersione të dy ose më shumë lëngjeve që nuk përzihen me njëri-tjetrin. Ultratingujt me intensitet shumë të lartë sigurojnë fuqinë e nevojshme për të shpërndarë një fazë të lëngshme (fazën e disperguar) në pika të vogla brenda një faze të dytë (fazës së vazhduar). Në zonën e dispergimit, flluskat e kavitacionit që shemben drejt brendësisë shkaktojnë valë goditëse intensive në lëngun përreth dhe çojnë në formimin e rrymave të holla të lëngut me shpejtësi të lartë.

Nanoemulsionet – aplikimi me fuqi të lartë për sonikatorët

Nanoemulsionet janë emulsione me pikëza që zakonisht kanë përmasa më të vogla se 100 nanometra. Nanoemulsionet ofrojnë disa përparësi krahasuar me emulsionet konvencionale, duke përfshirë veti funksionale unike, qëndrueshmëri më të lartë, transparencë etj.
Trajtimi me ultratinguj i tejkalon teknologjitë tradicionale të emulsifikimit, veçanërisht kur bëhet fjalë për formimin e nanoemulsioneve. Kjo vjen nga parimi i funksionimit të ultratingujve, i cili është shumë efikas dhe karakterizohet nga intensitet i lartë energjetik.

 
Videoja më poshtë tregon procesin e emulsifikimit të vajit (i verdhë) në ujë (i kuq) duke përdorur sonikatorin laboratorik UP400S.

Parimi i funksionimit të emulsifikimit me ultratinguj

Kavitacioni akustik: forca shtytëse e emulsifikimit dhe nanoemulsifikimit me ultratinguj
Emulsifikimi me ultratinguj mbështetet në efektet e fuqishme të kavitacionit akustik, një dukuri që ndodh kur valët e ultratingujve me intensitet të lartë kalojnë përmes një lëngu. Gjatë këtij procesi, formohen flluska mikroskopike, të cilat rriten dhe më pas shemben vrullshëm. Shembja implozive e këtyre flluskave krijon kushte ekstreme të lokalizuara, duke përfshirë gradientë të theksuar të presionit dhe temperaturës, forca të larta prerëse, valë goditëse dhe mikrorryma lëngu. Këto forca i shpërbëjnë në mënyrë efektive grimcat e mëdha, pikëzat dhe aglomeratet në struktura shumë më të vogla.
Imazhi në të majtë ilustron kavitacionin akustik të krijuar nga procesori me ultratinguj UIP1000hdT (1000 W), i cili punon në një kolonë qelqi të mbushur me lëng.

Si e përmirëson kavitacioni akustik emulsifikimin

Si në emulsifikim, ashtu edhe në nanoemulsifikim, intensiteti i kavitacionit është një faktor kyç në përcaktimin e madhësisë së pikëzave. Kur flluskat e kavitacionit shemben, forcat prerëse që krijohen i copëtojnë pikëzat më të mëdha në pikëza gjithnjë e më të vogla. Në të njëjtën kohë, ndryshimet e lokalizuara të presionit dhe temperaturës nxisin formimin e pikëzave të reja, duke ndihmuar njëkohësisht në stabilizimin e emulsionit.
Ky kombinim i copëtimit dhe stabilizimit të pikëzave i mundëson teknologjisë me ultratinguj të prodhojë emulsione shumë të njëtrajtshme, me shpërndarje të madhësisë së pikëzave në përmasa jashtëzakonisht të imëta.
 

Shpërndarja e madhësisë së pikëzave të emulsioneve ujë–vaj ulliri, të përgatitura me (a) metodën klasike të homogjenizimit dhe (b) metodën e homogjenizimit me ultratinguj (duke përdorur UP400S), me MD, WPI dhe përzierjen e tyre, me 40% lëndë të thatë dhe përmbajtje vaji prej 9% (w/w). Emulsifikimi me ultratinguj jep pikëza dukshëm më të vogla, më pak grumbullim të pikëzave në sipërfaqe dhe qëndrueshmëri të përgjithshme më të mirë të emulsionit.
(studimi dhe grafikët: Zungur et al., 2015)

Sonda me ultratinguj për emulsifikim efikas

Hielscher ofron një gamë të gjerë sonikatorësh me sondë dhe aksesorësh për emulsifikimin dhe dispergimin efikas të lëngjeve në regjim me lote dhe me rrjedhje të vazhdueshme.
Sistemet e përbëra nga disa procesorë me ultratinguj me fuqi deri në 16 000 vat secili ofrojnë kapacitetin e nevojshëm për ta shndërruar këtë aplikim laboratorik në një metodë efikase prodhimi për të përftuar emulsione të disperguara imët në rrjedhje të vazhdueshme ose në lote – duke arritur rezultate të krahasueshme me ato të homogjenizuesve më të mirë me presion të lartë që janë sot në dispozicion, siç është valvula e re me vrimë. Krahas këtij efikasiteti të lartë në emulsifikimin e vazhdueshëm, pajisjet me ultratinguj të Hielscher kërkojnë shumë pak mirëmbajtje dhe janë shumë të lehta për t’u përdorur dhe pastruar. Ultratingujt ndihmojnë në të vërtetë pastrimin dhe shpëlarjen. Fuqia e ultratingujve është e rregullueshme dhe mund të përshtatet sipas produkteve të veçanta dhe kërkesave të emulsifikimit. Gjithashtu, janë në dispozicion reaktorë të posaçëm me qeliza rrjedhjeje që përmbushin kërkesat e avancuara CIP (pastrim në vend) dhe SIP (sterilizim në vend).

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator është një aksesor i fuqishëm i pajtueshëm me reaktorët me qelizë rrjedhjeje me ultratinguj të Hielscher: Duke përdorur insertin MPC48, faza e shpërndarë injektohet nëpërmjet 48 kanulave si fije të holla lëngu në zonën e nxehtë të ultratingujve, ku faza e shpërndarë dhe faza e vazhdueshme përzihen në formën e pikëzave shumë të imëta për të formuar një nanoemulsion.
Zbuloni se si MultiPhaseCavitator e përmirëson emulsionimin!

Literaturë / Referenca

• 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