Emulgering med ultraljudskavitation

Ett brett spektrum av mellan- och konsumentprodukter, såsom kosmetika och hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger samt smörjmedel och bränslen är helt eller delvis baserade på emulsioner. Hielscher tillverkar världens största industriella ultraljudsvätskeprocessorer för effektiv emulgering av stora volymströmmar i produktionsanläggningar.

Ultraljud emulgering

I labbet har ultraljudets emulgeringskraft varit känd och tillämpats länge på grund av olika fördelar som är knutna till ultraljudshomogenisering och emulgering. Tillförlitlig ultraljudsemulgering är baserad på användning av ultraljudssonder, så kallade sonotroder. Via ultraljudssonden kopplas högintensivt ultraljud till vätskor och skapar akustisk kavitation. Ultraljud eller akustisk kavitation genererar höga skjuvkrafter, vilket ger den energi som krävs för att störa stora droppar ner till droppar i nanostorlek. Därigenom blandas två eller flera vätskefaser till en likformig submikron- eller nanoemulsion.
Användning av ultraljudsflödesceller möjliggör linjär uppskalning till industriell produktion av nanoemulsioner som bearbetar stora volymströmmar i kontinuerlig genomströmning.
MultiPhaseCavitator: Den unika Hielscher flödescellsinsatsen MPC48 är ett kraftfullt tillbehör som är kompatibelt med Hielscher ultraljudsflödescellsreaktorer. Med hjälp av insatsen MPC48 injiceras den dispergerade fasen via 48 kanyler som tunna vätskesträngar i den ultraljudsheta zonen, där den dispergerade fasen och den kontinuerliga fasen blandas som små droppar till en nanoemulsion. Läs mer om ultraljudsflödescellsinsatsen MPC48!

Fördelar med ultraljudsemulgering

Ultraljudsemulgering med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp erbjuder flera fördelar jämfört med andra emulgeringstekniker:

1. 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.
2. Energieffektivitet: Ultraljudsemulgering kräver mindre energi än andra emulgeringsmetoder, vilket gör det till en mer energieffektiv process.
3. 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.
4. Tidsbesparande: Ultraljudsemulgering kan vara en mycket snabb process, med emulsioner som bildas på några sekunder till minuter, beroende på vätskor, volym och utrustning.
5. 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.
6. 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!

Ultraljudsberedning av en olja-i-vatten-emulsion (O/W) (rött vatten / gul olja). Några sekunders ultraljudsbehandling förvandlar de separata vatten / olja faserna till en fin emulsion.

 
 
Videon nedan visar emulgeringsprocessen av olja (gul) till vatten (röd) med hjälp av UP400S lab ultraljudsapparat.

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 – En Power Application 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.

Arbetsprincip för ultraljudsemulgering

Ultraljudsemulgeringsprocesser använder krafterna från akustisk kavitation. Akustisk kavitation hänvisar till fenomenet bildning, tillväxt och implosiv kollaps av små bubblor i ett flytande medium som utsätts för högintensiva ultraljudsvågor. Implosionen av dessa bubblor genererar intensiva lokala tryck- och temperaturgradienter, vilket kan skapa höga skjuvkrafter, chockvågor och mikrostrålar som kan bryta ner stora partiklar och agglomerera till mindre. Bilden till vänster visar ultraljudskavitation som genereras vid sonden av ultraljudsapparaten UIP1000hdT (1000 watt) i en vätskefylld glaskolonn.
Vid emulgering och nanoemulgering spelar intensiteten av akustisk kavitation en avgörande roll för att minska storleken på dropparna i emulsionen. Den implosiva kollapsen av kavitationsbubblorna kan skapa starka skjuvkrafter som bryter ner större droppar till mindre. Dessutom kan de lokala tryck- och temperaturgradienterna som genereras av kavitationen också främja bildandet av nya droppar och stabilisera emulsionen.
Den unika aspekten av akustisk kavitation är dess förmåga att ge lokal och intensiv energitillförsel till det flytande mediet, utan behov av höga mekaniska eller termiska påfrestningar. Detta gör det till en attraktiv teknik för nanoemulgering, eftersom den kan minska den energitillförsel som krävs för emulgeringsprocessen samtidigt som den uppnår en mindre droppstorlek och en smalare fördelning av droppstorleken.
På grund av dessa exakt kontrollerbara ultraljudskrafter är akustisk kavitation ett kraftfullt verktyg för nanoemulgering. Dess förmåga att generera lokal och intensiv energitillförsel gör det möjligt att bryta ner större droppar som bildar submikron- och nanostora droppar med mycket hög effektivitet.

Studier vid olja i vatten (vattenfas) och vatten i olja (oljefas) emulsioner har visat sambandet mellan energitäthet och droppstorlek (t.ex. Sauterdiameter). Det finns en tydlig tendens till mindre droppstorlek vid ökande energitäthet (Klicka på bilden till höger). Vid lämpliga energitäthetsnivåer kan ultraljud enkelt och tillförlitligt uppnå genomsnittliga droppstorlekar i nanoområdet.

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).