Širok spektar srednjih i potrošačkih proizvoda, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske mast, lakovi, boje i maziva i goriva bazirani su potpuno ili delimično na emulzijama. Hielscher proizvodi najveće industrijske ultrazvučne tečne procesore na svetu za efikasno emulzifikaciju velikih tokova zapremine u proizvodnim pogonima.

Ultrazvučna Emulsacija

U laboratoriji je emulzaciona moć ultrazvuka odavno poznata i primenjena zbog različitih prednosti koje su vezane za ultrazvučnu homogenizaciju i emulzifikaciju. Pouzdana ultrazvučna emulzija se zasniva na upotrebi ultrazvučnih sondi, takozvanih sonotroda. Preko ultrazvučne sonde ultrazvuk visokog intenziteta je u paru sa tečnošću i stvara akustičnu kavitaciju. Ultrazvučna ili akustična kavitacija generiše visoke sile, koje obezbeđuju potrebnu energiju da se velike kapljice poremete na kapljice nano veličine. Atle se dve ili više tečnih faza mešaju u ujednačeni podmikronu ili nano-emulziju.

Prednosti ultrazvučne emulsifikacije

Ultrazvučna emulzija pomoću ultrazvučnog tipa sonde nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge emulzione tehnike:

1. Poboljšana stabilnost emulzije: Ultrazvučna emulzija stvara manje veličine kapljica i ravnomerniju distribuciju kapljica, što rezultira poboljšanom stabilnošću emulzije i dužim trajanjem police. Kapljice submicron- andn nano veličine mogu se pouzdano proizvesti pomoću power ultrazvuka.
2. Energetska efikasnost: Ultrazvučna emulzija zahteva manje energije od drugih metoda emulizacije, što je čini energetski efikasnijim procesom.
3. Skalabilnost: Ultrazvučna emulzija se može lako povećati na gore ili dole u zavisnosti od potrebnog volumena, što ga čini svestranim procesom i za laboratorijsku i za industrijsku primenu.
4. Ušteda vremena: Ultrazvučna emulzija može biti veoma brz proces, sa emulzijama koje se formiraju za nekoliko sekundi do minuta, u zavisnosti od tečnosti, zapremine i opreme.
5. Smanjena potreba za surfaktatima: Ultrazvučna emulzija može da smanji potrebu za surfaktantima, koji su često potrebni za stabilizaciju emulzije. Međutim, sa smanjenom veličinom kapljice, površinska površina čestica je povećana i više površina mora biti pokriveno surfaktantom. Ultrazvučnost je kompatibilna sa skoro svakom vrstom surfaktanta, uključujući alternativne i novel emulzionere.
6. Minimalna i kontrolisava proizvodnja toplote: Ultrazvučna emulzija je ne-toplotni proces i proizvodnja toplote tokom obrade može da se izbegne ili svede na mali stepen. Time se smanjuje rizik od toplotne degradacije osetljivih jedinjenja ili sastojaka.

Sve u svemu, prednosti ultrazvučne emulsifikacije pomoću ultrazvučnog tipa sonde čine ga popularnim izborom za emulsifikaciju na raznim poljima, uključujući hranu i piće, farmaciju, kozmetiku, fine hemikalije i goriva.

Ultrazvučni preparat emulzije ulja u vodi (O/W) (crvena voda / žuto ulje). Nekoliko sekundi sonikacije pretvara odvojene faze vode/ulja u finu emulziju.

 
 
Video ispod prikazuje proces emulizacije ulja (žute) u vodu (crvenu) pomoću UP400S laboratorijskog ultrazvuka.

Љta je emulzija?
Emulzije su udaljene od dve ili više neproćivih tečnosti. Visokointenzivan ultrazvuk obezbeđuje snagu neophodnu za razmnožnje tečne faze (raspršene faze) u malim kapljicima u drugoj fazi (neprekidna faza). U zoni širenja, neprobojni mehurići se dovode u kraj sa intenzivnim talasom u okolnim tečima i rezultira formiranjem tečnih aviona visoke tečne brzine.

Nano-emulzije – Aplikacija napajanja za ultrazvučnike

Nanoemulzije su emulzije sa kapljčom koje su obično manje od 100 nanometra veličine. Nanoemulzije nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalne emulzije, uključujući jedinstvena funkcionalna svojstva, veću stabilnost, transparentnost itd.
Ultrazvučnost nadmašuje tradicionalne tehnologije emulzije posebno kada je u pitanju formiranje nanoemulzija. To je posledica visoko efikasnog i energetski intenzivnog radnog principa ultrazvuka.

Radni princip ultrazvučne emulsifikacije

Procesi ultrazvučne emulzije koriste sile akustične kavitacije. Akustična kavitacija se odnosi na fenomen formiranja, rasta i implozivnog kolapsa malih mehurića u tečnom medijumu podvrgnutom ultrazvučnim talasima visokog intenziteta. Implozija ovih mehurića generiše intenzivan lokalni pritisak i temperaturne prelive, koji mogu da stvore visoke sile, udarne talase i mikro-mlazeve koji mogu da razgrađuju velike čestice i aglomererate na manje. Leva slika pokazuje ultrazvučnu kavitaciju generisanu na sondi ultrazvučnog UIP1000hdT (1000 vati) u staklenom stubu napunjenom tečnošću.
U emulzifikaciji i nano-emulzifikaciji, intenzitet akustične kavitacije igra kritičnu ulogu u smanjenju veličine kapljica u emulziji. Implozivno urušavanje mehurića kavitacije može stvoriti jake sile koje razlažu veće kapljice na manje. Štaviše, lokalni pritisak i temperaturni prelivi koje generiše kavitacija takođe mogu da promovišu formiranje novih kapljica i stabilizuju emulziju.
Jedinstveni aspekt akustične kavitacije je njegova sposobnost da obezbedi lokalizovan i intenzivan unos energije tečnom medijumu, bez potrebe za visokim mehaničkim ili toplotnim stresovima. To ga čini atraktivnom tehnikom za nano-emulziju, jer može da smanji energetski unos potreban za proces emulsifikacije, a da pritom postigne manju veličinu kapljice i užu raspodelu kapljica.
Zbog ovih precizno kontrolišućih ultrazvučnih sila, akustična kavitacija je moćno sredstvo za nano-emulzifikaciju. Njegova sposobnost generisanja lokalizovanog i intenzivnog unosa energije omogućava da se razbiju veće kapljice koje formiraju submicron i nano veličine po veoma visokoj efikasnosti.

Studije o nafti u vodi (vodofazi) i vodootporni na ulje (ulje u fazi ulja) su pokazale korelaciju između gustine energije i veličine kapljice (npr. prečnik). Postoji jasna tendencija za manju promenu veličine pri povećanju energetske gustine (Kliknite na desnu grafiku). Na odgovarajućem nivou energetske gustine, ultrazvuk može lako i pouzdano postići srednje veličine kapljica u nano-opsegu.

Ultrazvučne sonde za efikasnu emulsifikaciju

Hielscher nudi širok spektar ultrazvučnika i pribora tipa sonde za efikasnu emulziju i raspršivanje tečnosti u grupnom i protočnom režimu.
Sistemi koji se sastoje od nekoliko ultrazvučnih procesora od po 16.000 vati, obezbeđuju kapacitet potreban za prevođenje ove laboratorijske aplikacije u efikasan način proizvodnje kako bi se došlo do fino raspršenih emulzija u neprekidnom protoku ili u grupi – postizanje rezultata uporednih sa današnjim najboljim homogenizerima visokog pritiska, kao što je novi ventil za usnice. Pored ove visoke efikasnosti u kontinuiranom emulsaciji, Hielscher ultrasonični uređaji zahtevaju veoma slabo održavanje i veoma su laki za rad i čišćenje. Ultrazvuk zapravo podržava čišćenje i ispiranje. Ultrazvučna moć je podesiva i može se prilagoditi posebnim zahtevima proizvoda i emulsizacije. Specijalne ćelijske reaktori sastaju se na raspolaganju napredni CIP (čisto mesto) i SIP (sterilizna-mjesto).