Емулговање ултразвучном кавитацијом
Широк спектар међупроизвода и производа широке потрошње – као што су козметика, лосиони за кожу, фармацеутске масти, лакови, боје, мазива и горива – у потпуности или делимично се заснива на емулзијама.
Hielscher производи највеће индустријске ултразвучне процесоре за течности на свету за ефикасно емулговање токова велике запремине у производним постројењима.
Како функционише ултразвучно емулговање
Лабораторијске примене: У лабораторијским условима, способност ултразвука да емулгује одавно је позната и примењује се због бројних предности ултразвучне хомогенизације и емулговања.
Технологија
Поуздано ултразвучно емулговање заснива се на употреби ултразвучних сонди, познатих и као сонотроде. Процес се одвија на следећи начин:
- Спрезање ултразвучне енергије: Преко ултразвучне сонде, ултразвук високог интензитета спреже се са течношћу, стварајући акустичну кавитацију.
- Ефекат кавитације: Ултразвучна или акустична кавитација ствара велике смицајне силе, које обезбеђују енергију потребну за разбијање великих капљица на капљице нановеличине.
- Формирање емулзије: Две или више течних фаза мешају се у уједначену субмикронску емулзију или наноемулзију.
Повећање обима до индустријске производње применом проточне технологије: Употреба ултразвучних проточних ћелија омогућава линеарно повећање обима до индустријске производње наноемулзија, уз обраду токова велике запремине у континуалном протоку.
Ултразвучна припрема бистре наноемулзије помоћу ултразвучног уређаја UP400ST.
Предности ултразвучног емулговања
Ултразвучно емулговање помоћу ултразвучног уређаја са сондом нуди неколико предности у односу на друге технике емулговања:
- Побољшана стабилност емулзије: Ултразвучним емулговањем добијају се мање капљице и њихова уједначенија расподела, што доводи до побољшане стабилности емулзије и дужег рока трајања. Применом ултразвука велике снаге могу се поуздано добити капљице субмикронских и нанометарских величина.
- Енергетска ефикасност: Ултразвучно емулговање захтева мање енергије од других метода емулговања, што га чини енергетски ефикаснијим процесом.
- Прилагодљивост обима: Обим ултразвучног емулговања може се лако повећати или смањити у зависности од потребне запремине, што га чини свестраним процесом и за лабораторијске и за индустријске примене.
- Уштеда времена: Ултразвучно емулговање може бити веома брз процес, при чему се емулзије формирају за неколико секунди до неколико минута, у зависности од течности, запремине и опреме.
- Смањена потреба за површински активним материјама: Ултразвучно емулговање може смањити потребу за површински активним материјама, које су често неопходне за стабилизацију емулзија. Међутим, са смањењем величине капљице повећава се површина честице, па површински активна материја мора да прекрије већу површину. Ултразвучна обрада је компатибилна са готово свим врстама површински активних материја, укључујући алтернативне и нове емулгаторе.
- Минимално стварање топлоте које се може контролисати: Ултразвучно емулговање је нетермички процес, а стварање топлоте током обраде може се избећи или свести на малу меру. Тиме се смањује ризик од термичке разградње осетљивих једињења или састојака.
Предности ултразвучног емулговања помоћу ултразвучног уређаја са сондом чине га одличним избором за емулговање у разним областима, укључујући храну и пића, фармацеутске производе, козметику, фине хемикалије и горива.
Прочитајте више о ултразвучном емулговању мајонеза!
Прочитајте више о производњи емулзија парафинског воска применом ултразвучне обраде!
Прочитајте више о емулзијама воде у дизел-гориву произведеним применом ултразвука!
DLS мерење показује уједначену расподелу величине капљица ултразвучно произведене емулзије ружиног уља у води.
Шта је емулзија?Емулзије су дисперзије две или више течности које се међусобно не мешају. Ултразвук веома високог интензитета обезбеђује снагу потребну за дисперговање једне течне фазе (дисперговане фазе) у виду малих капљица у другој фази (континуалној фази). У зони дисперговања, имплозија кавитационих мехурића изазива интензивне ударне таласе у околној течности и доводи до стварања течних млазева велике брзине.
Наноемулзије – примена у којој соникатори показују своју снагу
Наноемулзије су емулзије са капљицама чија је величина обично мања од 100 нанометара. Наноемулзије нуде неколико предности у односу на конвенционалне емулзије, укључујући јединствена функционална својства, већу стабилност, провидност итд.
Ултразвучна обрада надмашује традиционалне технологије емулговања, нарочито када је реч о формирању наноемулзија. То је последица веома ефикасног принципа рада ултразвука, који подразумева висок интензитет енергије.
Видео у наставку приказује процес емулговања уља (жуто) у води (црвено) помоћу лабораторијског ултразвучног уређаја UP400S.
Принцип рада ултразвучног емулговања
Акустична кавитација: покретачка сила ултразвучног емулговања и наноемулговања
Ултразвучно емулговање ослања се на снажне ефекте акустичне кавитације, појаве која настаје када ултразвучни таласи високог интензитета пролазе кроз течност. Током овог процеса микроскопски мехурићи се формирају, расту, а затим нагло колабирају. Имплозивни колапс ових мехурића ствара екстремне локализоване услове, укључујући изражене градијенте притиска и температуре, велике силе смицања, ударне таласе и микромлазеве течности. Ове силе ефикасно разбијају велике честице, капљице и агломерате у знатно мање структуре.
Слика са леве стране приказује акустичну кавитацију коју ствара ултразвучни процесор UIP1000hdT (1000 W) током рада у стакленој колони испуњеној течношћу.
Како акустична кавитација побољшава емулговање
И при емулговању и при наноемулговању, интензитет кавитације је кључни фактор у одређивању величине капљица. Када кавитациони мехурићи колабирају, настале силе смицања разбијају веће капљице у све мање. Истовремено, локализоване промене притиска и температуре подстичу формирање нових капљица и помажу у стабилизацији емулзије.
Ова комбинација разбијања капљица и стабилизације омогућава ултразвучној технологији да производи веома уједначене емулзије са расподелама величине изузетно ситних капљица.
Расподела величине капљица емулзија воде и маслиновог уља припремљених (а) класичном методом хомогенизације (б) методом ултразвучне хомогенизације (помоћу уређаја UP400S) са MD, WPI и њиховом мешавином, са 40% суве материје и садржајем уља од 9% (w/w). Ултразвучно емулговање даје знатно мање капљице, мање издвајање кремастог слоја и бољу укупну стабилност емулзије.
(студија и графикони: Zungur et al., 2015)
Ултразвучне сонде за ефикасно емулговање
Hielscher нуди широк асортиман ултразвучних уређаја са сондом и додатне опреме за ефикасно емулговање и дисперговање течности у шаржном и проточном режиму.
Системи који се састоје од више ултразвучних процесора снаге до 16.000 вати сваки обезбеђују капацитет потребан да се ова лабораторијска примена претвори у ефикасну производну методу за добијање фино диспергованих емулзија у непрекидном протоку или у шаржи – постижући резултате упоредиве са резултатима данас доступних најбољих хомогенизатора високог притиска, као што је нови вентил са пригушним отвором. Поред ове високе ефикасности у континуалном емулговању, ултразвучни уређаји Hielscher захтевају веома мало одржавања и веома су једноставни за руковање и чишћење. Ултразвук заиста помаже при чишћењу и испирању. Ултразвучна снага је подесива и може се прилагодити одређеним производима и захтевима емулговања. Доступни су и специјални реактори са проточном ћелијом који испуњавају напредне захтеве за CIP (чишћење на месту) и SIP (стерилизацију на месту).
MultiSonoReactor MSR-4 је индустријски реактор за хомогенизацију у проточној линији, погодан за процесе (нано)емулговања са великим капацитетом обраде.
| Запремина шарже | Запремински проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 0,5 до 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator је моћан додатак компатибилан са Hielscher ултразвучним реакторима са проточном ћелијом: помоћу уметка MPC48, диспергована фаза се кроз 48 канила убризгава у облику танких течних нити у зону интензивног ултразвучног дејства, где се диспергована и континуална фаза мешају у наноемулзију са веома ситним капљицама.
Откријте како MultiPhaseCavitator побољшава емулговање!
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање 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 смеша две или више течности које се међусобно не мешају, као што су уље и вода.
Емулзије могу бити типа уље у води (где су капљице уља дисперговане у води) или вода у уљу (где су капљице воде дисперговане у уљу). Емулзије се користе у разним 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 међусобно не мешају (као што су уље и вода) у емулзији. То смањује склоност ове две супстанце ка раздвајању и омогућава им да формирају стабилну смешу.
Како се постиже стабилност емулзије?
Стабилност емулзије постиже се спречавањем спајања капљица дисперговане фазе (капљица једне течности) и њеног одвајања од континуалне фазе (околне течности). Да би се постигла стабилност емулзија, мора се размотрити неколико кључних фактора:
- Емулгатори (површински активне материје):
– Улога: Емулгатори су молекули који имају и хидрофилне крајеве (који привлаче воду) и хидрофобне крајеве (који одбијају воду).
– Дејство: Они смањују површински напон између две течности које се међусобно не мешају и формирају заштитни слој око капљица, спречавајући њихово спајање.
– Примери: Лецитин, полисорбати и натријум-стеароил-лактилат. - Механичке методе:
Мешање високих перформанси: Употреба мешалица са високим смицањем или хомогенизатора за уситњавање капљица, чиме се повећава површина и побољшава стабилност. Примена соникатора са сондом представља одличну и веома поуздану методу која користи сономеханичке силе смицања. Ове ултразвучне силе смицања разбијају велике капљице на веома ситне капљице и мешају фазе које се међусобно не мешају у стабилну емулзију. - Модификатори вискозности:
Згушњивачи: Повећање вискозности континуалне фазе може успорити кретање капљица, смањујући вероватноћу њиховог спајања.
– Примери: Ксантан гума, гуар гума и карбоксиметилцелулоза. - Средства за стабилизацију:
– Полимери: Полимери могу обезбедити стерну стабилизацију формирањем дебелог слоја око капљица.
– Примери: Пектин, желатин и одређени протеини. - Електростатичка стабилизација:
– Наелектрисање: Неки емулгатори дају површини капљица електрично наелектрисање, због чега се оне међусобно одбијају, чиме се смањује њихово спајање.
– Примери: Натријум-казеинат и сојин лецитин. - Контрола температуре:
– Хлађење: Снижавање температуре може повећати вискозност континуалне фазе и смањити кинетичку енергију капљица, спречавајући њихово спајање.
– Избегавање раздвајања фаза: Обезбеђивање да температура остане у опсегу који спречава раздвајање компоненти. - Адитиви:
– Антиоксиданси: Спречавање оксидације може помоћи у очувању интегритета емулгатора и других компоненти.
– Хелатна средства: Везивање јона метала који би иначе могли дестабилизовати емулзију.
Применом одговарајуће технике емулговања могу се добити стабилне емулзије, чиме се обезбеђује да смеша остане хомогена и задржи жељена својства током времена.
Емулгатори за стабилизацију
Емулзије углавном захтевају стабилизацију помоћу емулгатора или површински активне материје. Емулгатори су амфифилни – привлаче и воду и масне супстанце. То значи да имају хидрофилна (привлаче воду) и хидрофобна (привлаче уље) својства, што им омогућава интеракцију и са уљном и са воденом фазом емулзије. Хидрофилни део молекула емулгатора везује се за молекуле воде, док се хидрофобни део везује за молекуле уља.
Окружујући капљице уља својим молекулима, емулгатор ствара заштитни слој око капљица који спречава њихов међусобни контакт и коалесценцију (спајање) у веће капљице. То помаже у одржавању стабилности емулзије и спречава раздвајање.
Пошто коалесценција капљица након уситњавања утиче на коначну расподелу величине капљица, користе се емулгатори који ефикасно стабилизују емулзију како би коначна расподела величине капљица остала једнака расподели непосредно након уситњавања капљица у зони ултразвучног дисперговања. Стабилизатори заправо побољшавају уситњавање капљица при константној густини енергије.
Примери најчешће коришћених емулгатора обухватају лецитин (који се налази у жуманцету и соји), моно- и диглицериде, полисорбат 80 и натријум-стеароил-лактилат.
Миниемулзије, које се могу ефикасно добити ултразвучном обрадом, побољшавају хемијске реакције. Полимеризација у макроемулзији (a) у поређењу са полимеризацијом у миниемулзији (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за рад у распону од лабораторијских до индустријских размера.