Emulgering med ultraljudskavitation
Ett brett utbud av mellanprodukter och konsumentprodukter – såsom kosmetika, hudkrämer, farmaceutiska salvor, lacker, färger, smörjmedel och bränslen – baseras helt eller delvis på emulsioner.
Hielscher tillverkar världens största industriella ultraljudsprocessorer för vätskor, avsedda för effektiv emulgering av stora flöden i produktionsanläggningar.
Hur ultraljudsemulgering fungerar
Laboratorieanvändning: Inom laboratorieverksamhet har ultraljudets emulgeringsförmåga varit känd och använts under lång tid tack vare de många fördelar som är förknippade med ultraljudshomogenisering och emulgering.
Tekniken
En tillförlitlig ultraljudsemulgering bygger på användningen av ultraljudssonder, även kallade sonotroder. Processen fungerar enligt följande:
- Ultraljudskoppling: Genom ultraljudssonden överförs högintensivt ultraljud till vätskor, vilket ger upphov till akustisk kavitation.
- Kavitationseffekt: Ultraljuds- eller akustisk kavitation alstrar höga skjuvkrafter, vilka tillför den energi som krävs för att bryta ned stora droppar till droppar i nanostorlek.
- Emulsionsbildning: Två eller flera vätskefaser blandas till en enhetlig submikron- eller nanoemulsion.
Industriell uppskalning med hjälp av genomströmningsteknik: Genom att använda ultraljudsflödesceller möjliggörs en linjär uppskalning till industriell produktion av nanoemulsioner, där stora volymer kan bearbetas i ett kontinuerligt genomflöde.
Framställning av en klar nanoemulsion med hjälp av ultraljudsapparaten UP400ST.
Fördelarna med ultraljudsemulgering
Ultraljudsemulgering med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp erbjuder flera fördelar jämfört med andra emulgeringstekniker:
- Förbättrad emulsionsstabilitet: Ultraljudsemulgering skapar mindre droppstorlekar och mer enhetlig droppfördelning, vilket resulterar i förbättrad emulsionsstabilitet och längre hållbarhet. Droppar i submikron- och nanostorlek kan produceras på ett tillförlitligt sätt med hjälp av ultraljud.
- Energieffektivitet: Ultraljudsemulgering kräver mindre energi än andra emulgeringsmetoder, vilket gör det till en mer energieffektiv process.
- Skalbarhet: Ultraljudsemulgering kan enkelt skalas upp eller ner beroende på vilken volym som krävs, vilket gör det till en mångsidig process för både laboratorie- och industriella applikationer.
- Tidsbesparande: Ultraljudsemulgering kan vara en mycket snabb process, med emulsioner som bildas på några sekunder till minuter, beroende på vätskor, volym och utrustning.
- Minskat behov av ytaktiva ämnen: Ultraljudsemulgering kan minska behovet av ytaktiva ämnen, som ofta krävs för att stabilisera emulsioner. Men med en reducerad droppstorlek ökar partikelns yta och mer yta måste täckas av ett ytaktivt ämne. Ultraljud är kompatibel med nästan alla typer av ytaktiva ämnen, inklusive alternativa och nya emulgeringsmedel.
- Minimal och kontrollerbar värmeutveckling: Ultraljudsemulgering är en icke-termisk process och värmeutveckling under bearbetningen kan undvikas eller minskas i liten grad. Därmed minskar risken för termisk nedbrytning av känsliga föreningar eller ingredienser.
Fördelarna med ultraljudsemulgering med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp gör det till ett utmärkt val för emulgering inom en mängd olika områden, inklusive mat och dryck, läkemedel, kosmetika, finkemikalier och bränslen.
Läs mer om ultraljudsmajonnäsemulgering!
Läs mer om produktion av paraffinvaxemulsioner med hjälp av ultraljudsbehandling!
Läs mer om Vatten-i-Diesel-emulsioner framställda med ultraljud!
DLS-mätningen visar den jämna droppstorleksfördelningen hos en ultraljudsproducerad emulsion av rosenolja i vatten.
Vad är en emulsion?Emulsioner är dispersioner av två eller flera oblandbara vätskor. Högintensivt ultraljud levererar den kraft som behövs för att dispergera en vätskefas (dispergerad fas) i små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I dispergeringszonen orsakar imploderande kavitationsbubblor intensiva chockvågor i den omgivande vätskan och resulterar i bildandet av vätskestrålar med hög vätskehastighet.
nano-emulsioner – Användningsområden för ultraljudsapparater
Nanoemulsioner är emulsioner med droppar som vanligtvis är mindre än 100 nanometer stora. Nanoemulsioner erbjuder flera fördelar jämfört med konventionella emulsioner, inklusive unika funktionella egenskaper, högre stabilitet, transparens, etc.
Ultraljud konkurrerar ut traditionell emulgeringsteknik, särskilt när det gäller bildandet av nanoemulsioner. Detta beror på den mycket effektiva och energikrävande arbetsprincipen för ultraljud.
Videon nedan visar emulgeringsprocessen av olja (gul) till vatten (röd) med hjälp av UP400S lab ultraljudsapparat.
Arbetsprincip för ultraljudsemulgering
Akustisk kavitation: Drivkraften bakom ultraljudsemulgering och nanoemulgering
Ultraljudsemulgering bygger på de kraftfulla effekterna av akustisk kavitation, ett fenomen som uppstår när ultraljudsvågor med hög intensitet passerar genom en vätska. Under denna process bildas mikroskopiska bubblor som växer och sedan kollapsar våldsamt. Den implosiva kollapsen av dessa bubblor genererar extrema lokala förhållanden, inklusive intensiva tryck- och temperaturgradienter, höga skjuvkrafter, chockvågor och mikrostrålar av vätska. Dessa krafter bryter effektivt ner stora partiklar, droppar och agglomerat till mycket mindre strukturer.
Bilden till vänster visar akustisk kavitation som alstras av ultraljudsprocessorn UIP1000hdT (1000 W) när den används i en glaskolonn fylld med vätska.
Hur akustisk kavitation förbättrar emulgeringen
Både vid emulgering och nanoemulgering är kavitationsintensiteten en avgörande faktor för droppstorleken. När kavitationsbubblorna kollapsar splittras större droppar upp i allt mindre droppar på grund av de skjuvkrafter som uppstår. Samtidigt bidrar de lokala tryck- och temperaturförändringarna till att nya droppar bildas, samtidigt som de hjälper till att stabilisera emulsionen.
Genom denna kombination av droppuppbrytning och stabilisering kan ultraljudstekniken skapa mycket enhetliga emulsioner med en exceptionellt fin droppstorleksfördelning.
Droppstorleksfördelning för vatten-olivoljeemulsioner framställda genom (a) klassisk homogenisering och (b) ultraljudshomogenisering (med UP400S) med MD, WPI och en blandning av dessa, med 40 % torrsubstans och 9 % oljehalt (viktprocent). Ultraljudsemulgering ger betydligt mindre droppar, mindre skiktning och en bättre total emulsionsstabilitet.
(studie och grafer: Zungur et al., 2015)
Ultraljudssonder för effektiv emulgering
Hielscher erbjuder ett brett utbud av ultraljudsapparater av sondtyp och tillbehör för effektiv emulgering och dispergering av vätskor i batch- och genomströmningsläge.
System som består av flera ultraljudsprocessorer på upp till 16 000 watt vardera, ger den kapacitet som behövs för att översätta denna laboratorieapplikation till en effektiv produktionsmetod för att erhålla finfördelade emulsioner i kontinuerligt flöde eller i en batch – Uppnå resultat som är jämförbara med dagens bästa högtryckshomogenisatorer som finns tillgängliga, till exempel den nya öppningsventilen. Förutom denna höga effektivitet i den kontinuerliga emulgeringen kräver Hielscher ultraljudsenheter mycket lite underhåll och är mycket lätta att använda och rengöra. Ultraljudet stöder faktiskt rengöringen och sköljningen. Ultraljudseffekten är justerbar och kan anpassas till särskilda produkter och emulgeringskrav. Det finns också speciella flödescellsreaktorer som uppfyller de avancerade kraven på CIP (clean-in-place) och SIP (sterilize-in-place).
MultiSonoReactor MSR-4 är en industriell inline-homogeniseringsreaktor som är lämplig för (nano-)emulgeringsprocesser med hög genomströmning.
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 0.5 till 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 till 150L | 3 till 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator är ett kraftfullt tillbehör som är kompatibelt med Hielschers ultraljudsreaktorer med flödesceller: Med hjälp av insatsen MPC48 injiceras den dispergerade fasen via 48 kanyler som tunna vätskestrålar in i ultraljudets aktiva zon, där den dispergerade fasen och den kontinuerliga fasen blandas i form av mikroskopiska droppar till en nanoemulsion.
Upptäck hur MultiPhaseCavitator förbättrar emulgeringen!
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Litteratur / Referenser
- 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
Fakta som är värda att veta
Definition av begreppet “emulsion”
En emulsion är en blandning av två eller flera oblandbara vätskor, såsom olja och vatten.
Emulsioner kan vara antingen olja-i-vatten (där oljedroppar dispergeras i vatten) eller vatten-i-olja (där vattendroppar dispergeras i olja). Emulsioner används i en mängd olika applikationer, inklusive livsmedelsprodukter (som salladsdressingar och majonnäs), kosmetika (som lotioner och krämer) och läkemedel (som vacciner).
Ett emulgeringsmedel fungerar genom att minska ytspänningen mellan de två oblandbara ämnena (som olja och vatten) i en emulsion. Detta minskar tendensen hos de två ämnena att separera och gör att de kan bilda en stabil blandning.
Hur görs en emulsion stabil?
En emulsion görs stabil genom att förhindra att den dispergerade fasen (droppar av en vätska) smälter samman och separeras från den kontinuerliga fasen (den omgivande vätskan). Flera viktiga punkter måste beaktas för att uppnå stabilitet i emulsioner:
- Emulgeringsmedel (ytaktiva ämnen):
– Roll: Emulgeringsmedel är molekyler som har både hydrofila (vattenattraherande) och hydrofoba (vattenavvisande) ändar.
– Handling: De minskar ytspänningen mellan de två oblandbara vätskorna och bildar ett skyddande skikt runt dropparna, vilket förhindrar att de smälter samman.
– Exempel: Lecitin, polysorbater och natriumstearoyllytylat. - Mekaniska metoder:
Högpresterande blandning: Använd mixers eller homogenisatorer med hög skjuvning för att bryta ner dropparna i mindre storlekar, vilket ökar ytan och förbättrar stabiliteten. Sond-typ sonikatorer är en utmärkt och mycket tillförlitlig metod som använder sonomekaniska skjuvkrafter. Dessa ultraljudsskjuvkrafter bryter ner stora droppar till små droppar och blandar de oblandbara faserna till en stabil emulsion. - Viskositetsmodifierare:
Förtjockningsmedel: Att öka viskositeten hos den kontinuerliga fasen kan bromsa dropparnas rörelse, vilket minskar sannolikheten för sammansmältning.
– Exempel: Xantangummi, guarkärnmjöl och karboximetylcellulosa. - Stabiliserande medel:
– Polymerer: Polymerer kan ge sterisk stabilisering genom att bilda ett tjockt lager runt droppar.
– Exempel: Pektin, gelatin och vissa proteiner. - Elektrostatisk stabilisering:
– Avgift: Vissa emulgeringsmedel ger en elektrisk laddning till ytan av droppar, vilket gör att de stöter bort varandra och därmed minskar koalescensen.
– Exempel: Natriumkaseinat och sojalecitin. - Temperaturreglering:
– Kylning: Att sänka temperaturen kan öka viskositeten hos den kontinuerliga fasen och minska dropparnas kinetiska energi, vilket förhindrar sammansmältning.
– Undvika fasseparation: Se till att temperaturen håller sig inom ett intervall som förhindrar att komponenterna separeras. - Tillsatsämnen:
– Antioxidanter: Att förhindra oxidation kan hjälpa till att upprätthålla integriteten hos emulgeringsmedlet och andra komponenter.
– Kelatbildare: Binder metalljoner som annars skulle kunna destabilisera emulsionen.
Genom att använda rätt emulgeringsteknik kan emulsioner göras stabila, vilket säkerställer att blandningen förblir homogen och behåller sina önskade egenskaper över tid.
Stabiliserande emulgeringsmedel
I allmänhet kräver emulsioner stabilisering med hjälp av ett emulgeringsmedel eller ytaktivt ämne. Emulgeringsmedel är amfifila – de drar till sig både vatten och fettämnen. Detta innebär att de har hydrofila (vattenälskande) och hydrofoba (oljeälskande) egenskaper, vilket gör att de kan interagera med både olje- och vattenfaserna i emulsionen. Den hydrofila delen av emulgeringsmedelsmolekylen fäster vid vattenmolekylerna, medan den hydrofoba delen fäster vid oljemolekylerna.
Genom att omge oljedropparna med emulgeringsmedelsmolekyler skapar emulgeringsmedlet ett skyddande skikt runt dropparna som hindrar dem från att komma i kontakt med varandra och smälta samman (förenas ihop) för att bilda större droppar. Detta hjälper till att hålla emulsionen stabil och förhindrar separation.
Eftersom koalescensen av dropparna efter störning påverkar den slutliga droppstorleksfördelningen, används effektivt stabiliserande emulgeringsmedel för att upprätthålla den slutliga droppstorleksfördelningen på en nivå som är lika med fördelningen omedelbart efter droppstörningen i ultraljudsdispergeringszonen. Stabilisatorer leder faktiskt till förbättrad droppstörning vid konstant energitäthet.
Exempel på vanliga emulgeringsmedel är lecitin (som finns i äggulor och sojabönor), mono- och diglycerider, polysorbat 80 och natriumstearoyllaktyllat.
Miniemulsioner, som effektivt kan skapas genom ultraljud, förbättrar kemiska reaktioner. Makroemulsionspolymerisation (a) kontra miniemulsionspolymerisation (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.