Емулговање ултразвучном кавитацијом
Широк спектар полупроизвода и производа широке потрошње, као што су козметика и лосиони за кожу, фармацеутске масти, лакови, боје и мазива и горива су у потпуности или делимично засновани на емулзијама. Хиелсцхер производи највеће светске индустријске ултразвучне течне процесоре за ефикасно емулговање великих токова у производним погонима.
Ултразвучна емулзификација
У лабораторији, моћ емулгирања ултразвука је позната и дуго примењивана због различитих предности које су везане за ултразвучну хомогенизацију и емулзификацију. Поуздана ултразвучна емулзификација заснива се на употреби ултразвучних сонди, тзв. сонотрода. Преко ултразвучне сонде, ултразвук високог интензитета се спаја у течности и ствара акустичну кавитацију. Ултразвучна или акустична кавитација генерише велике силе смицања, које обезбеђују потребну енергију за ометање великих капљица до капљица нано величине. На тај начин се две или више течних фаза мешају у униформну субмикрону или нано-емулзију.
Коришћење ултразвучних проточних ћелија омогућава линеарно повећање до индустријске производње наноемулзија које обрађују токове велике запремине у континуираном протоку.
МултиПхасеЦавитатор: Јединствени Хиелсцхер уметак за проточне ћелије МПЦ48 је моћан додатак компатибилан са Хиелсцхер ултразвучним реакторима са проточним ћелијама. Коришћењем уметка МПЦ48, дисперзована фаза се убризгава преко 48 канила као танке течне нити у ултразвучну врућу зону, где се дисперзована фаза и континуална фаза мешају као мале капљице у наноемулзију. Прочитајте више о уметку за ултразвучну проточну ћелију МПЦ48!
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!

Ултразвучна припрема емулзије уље у води (О/В) (црвена вода / жуто уље). Неколико секунди соникације претварају одвојене фазе воде/уља у фину емулзију.
Видео испод приказује процес емулгирања уља (жуто) у воду (црвено) коришћењем лабораторијског ултразвучног апарата УП400С.

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 – Апликација за напајање за ултрасоникаторе
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.
Принцип рада ултразвучне емулзификације
Ултразвучни процеси емулговања користе силе акустичне кавитације. Акустична кавитација се односи на феномен формирања, раста и имплозивног колапса малих мехурића у течном медију који је подвргнут ултразвучним таласима високог интензитета. Имплозија ових мехурића генерише интензивне локалне градијенте притиска и температуре, који могу да створе велике силе смицања, ударне таласе и микро-млазове који могу да разбију велике честице и агломерате на мање. Слика лево приказује ултразвучну кавитацију генерисану на сонди ултразвучног апарата УИП1000хдТ (1000 вати) у стакленој колони испуњеној течношћу.
У емулзификацији и нано-емулзификацији, интензитет акустичне кавитације игра кључну улогу у смањењу величине капљица у емулзији. Имплозивни колапс кавитационих мехурића може створити јаке силе смицања које разлажу веће капљице на мање. Штавише, локални градијенти притиска и температуре генерисани кавитацијом могу такође да подстакну стварање нових капљица и стабилизују емулзију.
Јединствени аспект акустичне кавитације је њена способност да обезбеди локализован и интензиван унос енергије у течни медијум, без потребе за високим механичким или термичким напрезањима. Ово га чини атрактивном техником за нано-емулзификацију, јер може смањити унос енергије који је потребан за процес емулговања док постиже мању величину капљица и ужу дистрибуцију величине капљица.
Због ових ултразвучних сила које се прецизно контролишу, акустична кавитација је моћно средство за наноемулзификацију. Његова способност да генерише локализован и интензиван унос енергије омогућава разбијање већих капљица формирајући оне субмикронске и нано величине уз веома високу ефикасност.
Студије емулзија уље у води (водена фаза) и вода у уљу (уљна фаза) показале су корелацију између густине енергије и величине капљица (нпр. Саутеров пречник). Постоји јасна тенденција ка мањој величини капљица при повећању густине енергије (кликните на десну графику). На одговарајућим нивоима густине енергије, ултразвук може лако и поуздано постићи средње величине капљица у нано опсегу.
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).
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!
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.
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.
Применом праве технике емулговања, емулзије се могу учинити стабилним, обезбеђујући да смеша остане хомогена и да задржи жељена својства током времена.
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.

Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лаб до индустријска величина.