Емулговање ултразвучном кавитацијом
Широк спектар средњих и потрошачких производа – као што су козметика, креме за кожу, фармацеутске масти, лаци, боје, мазива и горива – у потпуности или делимично се базирају на емулзијама.
Hielscher производи највеће индустријске ултразвучне прерађиваче течности на свету за ефикасну емулзификацију токова великог обима у производним постројењима.
Како функционише ултразвучна емулзификација
Лабораторијске примене: У лабораторијским условима, емулгификацијска моћ ултразвука је позната и примењује се већ дуже време због различитих предности везаних за ултразвучну хомогенизацију и емулзификацију.
Технологија
Поуздана ултразвучна емулгација заснива се на употреби ултразвучних сонди, познатих и као сонотродес. Процес функционише на следећи начин:
- Ултразвучна спојница: Преко ултразвучне сонде, ултразвук високог интензитета се спаја у течности, стварајући акустичну кавитацију.
- Ефекат кавитације: Ултразвучна или акустична кавитација генерише велике силе смицања, које обезбеђују потребну енергију да поремети велике капљице до капљица нано-величине.
- Формирање емулзије: Две или више течних фаза се мешају у јединствену субмикрон- или нано-емулзију.
Индустријско скалирање путем технологије протока: Коришћење ултразвучних ћелија протока омогућава линеарно скалирање до индустријске производње наноемулзија, обраду великих волумена токова у континуираном протоку.
Ултразвучна припрема јасне нано-емулзије помоћу UP400ST ултрасоницатор.
Предности ултразвучне емулзификације
Ултразвучна емулзификација помоћу ултразвучног апарата типа сонде нуди неколико предности у односу на друге технике емулговања:
- Побољшана стабилност емулзије: Ултразвучна емулзификација ствара мање величине капљица и равномернију дистрибуцију капљица, што резултира побољшаном стабилношћу емулзије и дужим роком трајања. Капљице субмикронске и нано величине могу се поуздано произвести коришћењем ултразвука.
- Енергетска ефикасност: Ултразвучна емулзификација захтева мање енергије од других метода емулгирања, што је чини енергетски ефикаснијим процесом.
- Прилагодљивост: Ултразвучна емулзификација се може лако повећати или смањити у зависности од потребне запремине, што је чини свестраним процесом за лабораторијске и индустријске примене.
- Штеди време: Ултразвучна емулзификација може бити веома брз процес, при чему се емулзије формирају за неколико секунди до минута, у зависности од течности, запремине и опреме.
- Смањена потреба за сурфактантима: Ултразвучна емулзификација може смањити потребу за сурфактантима, који су често потребни за стабилизацију емулзија. Међутим, са смањеном величином капљица, површина честице се повећава и већа површина мора бити покривена сурфактантом. Ултрасоницатион је компатибилан са скоро сваком врстом сурфактанта укључујући алтернативне и нове емулгаторе.
- Минимална и контролисана производња топлоте: Ултразвучна емулзификација је нетермички процес и стварање топлоте током обраде може се избећи или смањити на мали степен. Тиме се смањује ризик од термичке деградације осетљивих једињења или састојака.
Предности ултразвучне емулзификације помоћу ултразвучног апарата типа сонде чине га одличним избором за емулзификацију у различитим областима, укључујући храну и пиће, фармацеутске производе, козметику, фине хемикалије и горива.
Прочитајте више о ултразвучној емулзификацији мајонеза!
Прочитајте више о производњи емулзија парафинског воска помоћу соникације!
Прочитајте више о емулзијама воде у дизелу произведеним помоћу ултразвука!
DLS merenje pokazuje uniformnu distribuciju veličine kapljica ultrazvučno proizvedene ružine ulja u vodi emulzije.
Шта је емулзија?Емулзије су дисперзије две или више течности које се не мешају. Високо интензиван ултразвук обезбеђује снагу потребну за распршивање течне фазе (дисперзоване фазе) у малим капљицама у другој фази (континуирана фаза). У зони распршивања, имплодирајући мехурићи кавитације изазивају интензивне ударне таласе у околној течности и резултирају формирањем течних млазова велике брзине течности.
нано-емулзије – Primena snage za sonikatore
Наноемулзије су емулзије са капљицама које су обично мање од 100 нанометара. Наноемулзије нуде неколико предности у односу на конвенционалне емулзије, укључујући јединствена функционална својства, већу стабилност, транспарентност итд.
Ултразвук надмашује традиционалне технологије емулгирања, посебно када је у питању формирање наноемулзија. То је због високо ефикасног и енергетски интензивног принципа рада ултразвука.
Видео испод приказује процес емулгирања уља (жуто) у воду (црвено) коришћењем лабораторијског ултразвучног апарата УП400С.
Принцип рада ултразвучне емулзификације
Akustična kavitacija: pokretačka snaga iza ultrazvučne emulzifikacije i nano-emulzifikacije
Ultrasonic emulsification relies on the powerful effects of acoustic cavitation, a phenomenon that occurs when high-intensity ultrasound waves pass through a liquid. During this process, microscopic bubbles form, grow, and then collapse violently. The implosive collapse of these bubbles generates extreme localized conditions, including intense pressure and temperature gradients, high shear forces, shock waves, and liquid micro-jets. These forces effectively break down large particles, droplets, and agglomerates into much smaller structures.
Слика са леве стране илуструје акустичну кавитацију коју генерише УИП1000хдТ ултразвучни процесор (1000 W) који ради у стакленој колони пуној течности.
Како акустична кавитација побољшава емулзификацију
Како у емулзификацији, тако и у нано-емулзификацији, интензитет кавитације је кључни фактор у одређивању величине капљица. Како мехуричи кавитације колабирају, настале силе сечења разбијају веће капљице у све мање. Истовремено, локализоване промене притиска и температуре подстичу формирање нових капљица уз помоћ стабилизације емулзије.
Ова комбинација разбијања капљица и стабилизације омогућава ултразвучној технологији да производи високо униформне емулзије са изузетно финим распоном величине капљица.
Дистрибуција величине капљица емулзија воде-маслиновог уља припремљених (а) класичном методом хомогенизације (б) ултразвучном хомогенизацијом (коришћењем UP400S) методом са МД, ВПИ и њиховом мешавином, која има 40% суве материје са 9% уљем (в / в) садржајем. Ултразвучна емулгација резултира знатно мањим капљицама, мање креме и бољом укупном стабилношћу емулзије.
(студија и графикони: Зунгур и сар., 2015)
Ултразвучне сонде за ефикасну емулзификацију
Хиелсцхер нуди широк спектар ултрасоникатора типа сонде и прибора за ефикасну емулзификацију и дисперговање течности у шаржном и проточном режиму.
Системи који се састоје од неколико ултразвучних процесора до 16.000 вати сваки, обезбеђују капацитет потребан за превођење ове лабораторијске апликације у ефикасну производну методу за добијање фино диспергованих емулзија у континуираном току или у серији – постизање резултата упоредивих са резултатима данашњих најбољих доступних хомогенизатора високог притиска, као што је нови вентил са отвором. Поред ове високе ефикасности у континуираној емулгацији, Хиелсцхер ултразвучни уређаји захтевају веома ниско одржавање и веома су лаки за руковање и чишћење. Ултразвук заправо подржава чишћење и испирање. Ултразвучна снага је подесива и може се прилагодити одређеним производима и захтевима за емулгирање. Доступни су и специјални реактори са проточним ћелијама који испуњавају напредне захтеве ЦИП (чишћење на месту) и СИП (стерилизација на месту).
МултиСоноРеацтор МСР-4 је индустријски инлине реактор за хомогенизацију погодан за (нано)емулгационе процесе са високим протоком.
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 0.5 до 1.5 мЛ | на | ВиалТвеетер | 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| 15 до 150Л | 3 до 15 л/мин | УИП6000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
МултиПхасеЦавитатор (MPC48)
МултиФејзКавитатор је снажан додатак компатибилан са Хиелсцхеровим ултразвучним реакторима са проточном ћелијом: коришћењем уметка MPC48, диспергована фаза се улива кроз 48 канила као танке течне нити у ултразвучну врућу зону, где се диспергована фаза и континуирана фаза мешају као ситне капљице у наноемулзију.
Откријте како МултиФејзКавитатор побољшава емулгирање!
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за апликације за мешање, дисперзију, емулзификацију и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Литература / Референце
- 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
Чињенице које вреди знати
Дефиниција појма “емулзија”
Емулзија је мешавина две или више течности које се не мешају, као што су уље и вода.
Емулзије могу бити или уље у води (где су капљице уља распршене у води) или вода у уљу (где су капљице воде дисперговане у уљу). Емулзије се користе у различитим применама, укључујући прехрамбене производе (као што су преливи за салату и мајонез), козметику (као што су лосиони и креме) и фармацеутске производе (као што су вакцине).
Емулгатор делује тако што смањује површински напон између две супстанце које се не мешају (као што су уље и вода) у емулзији. Ово смањује склоност две супстанце да се раздвајају и омогућава им да формирају стабилну смешу.
Како се емулзија чини стабилном?
Емулзија се чини стабилном спречавањем да се дисперзна фаза (капљице једне течности) споји и одвоји од континуалне фазе (околне течности). Неколико кључних тачака мора се узети у обзир да би се постигла стабилност емулзија:
- Емулгатори (сурфактанти):
– Улога: Емулгатори су молекули који имају и хидрофилне (привлаче воду) и хидрофобне (водоодбојне) крајеве.
– Поступак: Они смањују површинску напетост између две течности које се не мешају и формирају заштитни слој око капљица, спречавајући их да се споје.
– Примери: Лецитин, полисорбати и натријум стеароил лактилат. - Механичке методе:
Миксање високих перформанси: Коришћење миксера или хомогенизатора са високим смицањем за разбијање капљица на мање величине, повећавајући површину и побољшавајући стабилност. Соникатори типа сонде су одличан и веома поуздан метод који користи сономеханичке смичне силе. Ове ултразвучне силе смицања разбијају велике капљице у ситне капљице и мешају немешљиве фазе у стабилну емулзију. - Модификатори вискозитета:
Згушњивачи: Повећање вискозитета континуиране фазе може успорити кретање капљица, смањујући вероватноћу спајања.
– Примери: Ксантан гума, гуар гума и карбоксиметил целулоза. - Стабилизујућа средства:
– Полимери: Полимери могу да обезбеде стеричку стабилизацију формирањем дебелог слоја око капљица.
– Примери: Пектин, желатин и одређени протеини. - Електростатичка стабилизација:
– Напунити: Неки емулгатори дају електрични набој површини капљица, узрокујући да се међусобно одбијају и на тај начин смањују коалесценцију.
– Примери: Натријум казеинат и сојин лецитин. - Контрола температуре:
– Хлађење: Снижавање температуре може повећати вискозитет континуиране фазе и смањити кинетичку енергију капљица, спречавајући коалесценцију.
– Избегавање раздвајања фаза: Обезбеђивање да температура остане у опсегу који спречава раздвајање компоненти. - адитиви:
– антиоксиданси: Спречавање оксидације може помоћи у одржавању интегритета емулгатора и других компоненти.
– Хелатни агенси: Везују јони метала који би иначе могли да дестабилизују емулзију.
Primjenom prave tehnike emulzifikacije, emulzije mogu biti stabilne, osiguravajući da smjesa ostane homogena i zadrži željena svojstva tokom vremena.
Стабилизујући емулгатори
Генерално, емулзије захтевају стабилизацију коришћењем емулгатора или сурфактанта. Емулгатори су амфифилни – привлаче и воду и масне супстанце. То значи да поседују хидрофилна (волољубиви) и хидрофобна (уља воле) својства, што им омогућава интеракцију са уљном и воденом фазом емулзије. Хидрофилни део молекула емулгатора везује се за молекуле воде, док се хидрофобни део везује за молекуле уља.
Окружујући капљице уља молекулима емулгатора, емулгатор ствара заштитни слој око капљица који их спречава да дођу у контакт једна са другом и да се спајају (спајају) да формирају веће капљице. Ово помаже да се емулзија одржи стабилном и спречава одвајање.
Како коалесценција капљица након прекида утиче на коначну дистрибуцију величине капљица, ефикасно стабилизујући емулгатори се користе за одржавање коначне дистрибуције величине капљица на нивоу који је једнак дистрибуцији непосредно након прекида капљица у зони ултразвучног дисперговања. Стабилизатори заправо доводе до побољшаног поремећаја капљица при константној густини енергије.
Примери најчешће коришћених емулгатора укључују лецитин (који се налази у жуманцима и сојином зрну), моно- и диглицериде, полисорбат 80 и натријум стеароил лактилат.
Миниемулзије, које се могу ефикасно створити ултразвучном обрадом, појачавају хемијске реакције. Макроемулзиона полимеризација (а) наспрам миниемулзионе полимеризације (б) [Сцхорк ет ал. 2005: 136]
Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лаб до индустријска величина.