Emulgering med ultraljudskavitation

Ett brett spektrum av mellanprodukter och konsumentprodukter – såsom kosmetika, hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger, smörjmedel och bränslen – bygger helt eller delvis på emulsioner.
Hielscher tillverkar världens största industriella ultraljudsprocessorer för vätskor för effektiv emulgering av stora volymströmmar i produktionsanläggningar.

Så fungerar ultraljudsemulgering

Laboratorietillämpningar: I laboratoriemiljöer har ultraljudets emulgerande förmåga länge varit känd och utnyttjats tack vare de olika fördelar som är förknippade med ultraljudshomogenisering och ultraljudsemulgering.

Tekniken

Tillförlitlig ultraljudsemulgering bygger på användning av ultraljudssonder, även kallade sonotroder. Processen fungerar så här:

1. Inkoppling av ultraljud: Via ultraljudssonden kopplas högintensivt ultraljud in i vätskor, vilket skapar akustisk kavitation.
2. Kavitationseffekt: Ultraljudskavitation, eller akustisk kavitation, alstrar höga skjuvkrafter som tillför den energi som krävs för att bryta upp stora droppar till droppar i nanostorlek.
3. Emulsionsbildning: Två eller flera vätskefaser blandas till en enhetlig submikron- eller nanoemulsion.

 
Industriell uppskalning med genomströmningsteknik: Användning av ultraljudsflödesceller möjliggör linjär uppskalning till industriell produktion av nanoemulsioner, där stora volymströmmar bearbetas i kontinuerlig genomströmning.

Fördelarna med ultraljudsemulgering

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

1. Förbättrad emulsionsstabilitet: Ultraljudsemulgering ger mindre droppstorlekar och en jämnare droppfördelning, vilket resulterar i förbättrad emulsionsstabilitet och längre hållbarhet. Droppar i submikron- och nanostorlek kan framställas tillförlitligt med högeffektsultraljud.
2. Energieffektivitet: Ultraljudsemulgering kräver mindre energi än andra emulgeringsmetoder, vilket gör processen mer energieffektiv.
3. Skalbarhet: Ultraljudsemulgering kan enkelt skalas upp eller ned beroende på den volym som krävs, vilket gör processen mångsidig för både laboratorietillämpningar och industriella tillämpningar.
4. Tidsbesparing: Ultraljudsemulgering kan vara en mycket snabb process, där emulsioner bildas på några sekunder till några minuter beroende på vätskorna, volymen och utrustningen.
5. Minskat behov av tensider: Ultraljudsemulgering kan minska behovet av tensider, som ofta krävs för att stabilisera emulsioner. När droppstorleken minskar ökar dock partikelns ytarea, och en större yta måste täckas av en tensid. Ultraljudsbehandling är kompatibel med nästan alla typer av tensider, inklusive alternativa och nya emulgeringsmedel.
6. Minimal och kontrollerbar värmeutveckling: Ultraljudsemulgering är en icke-termisk process, och värmeutveckling under bearbetningen kan undvikas eller begränsas till en låg nivå. Därigenom minskar risken för termisk nedbrytning av känsliga föreningar eller ingredienser.

Fördelarna med ultraljudsemulgering med en ultraljudsapparat av sondtyp gör den till ett utmärkt val för emulgering inom en rad områden, däribland livsmedel och drycker, läkemedel, kosmetika, finkemikalier och bränslen.
Läs mer om emulgering av majonnäs med ultraljud!
Läs mer om framställning av paraffinvaxemulsioner med ultraljudsbehandling!
Läs mer om vatten-i-diesel-emulsioner framställda med ultraljud!

DLS-mätningen visar den enhetliga droppstorleksfördelningen i en emulsion av rosenolja i vatten som framställts med ultraljud.

Vad är en emulsion?
Emulsioner är dispersioner av två eller flera icke blandbara vätskor. Högintensivt ultraljud tillför den effekt som behövs för att dispergera en vätskefas (dispergerad fas) som små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I dispergeringszonen orsakar imploderande kavitationsbubblor intensiva stötvågor i den omgivande vätskan och leder till att vätskestrålar med hög vätskehastighet bildas.

Nanoemulsioner – en kraftfull tillämpning för ultraljudsapparater

Nanoemulsioner är emulsioner med droppar som vanligtvis är mindre än 100 nanometer. Nanoemulsioner erbjuder flera fördelar jämfört med konventionella emulsioner, bland annat unika funktionella egenskaper, högre stabilitet, transparens etc.
Ultraljudsbehandling överträffar traditionella emulgeringstekniker, särskilt när det gäller bildning av nanoemulsioner. Detta beror på ultraljudets mycket effektiva och energiintensiva funktionsprincip.

 
Videon nedan visar hur olja (gul) emulgeras i vatten (rött) med hjälp av ultraljudsapparaten UP400S för laboratoriebruk.

Funktionsprincip för ultraljudsemulgering

Akustisk kavitation: drivkraften bakom ultraljudsemulgering och nanoemulgering
Ultraljudsemulgering bygger på de kraftfulla effekterna av akustisk kavitation, ett fenomen som uppstår när högintensiva ultraljudsvågor passerar genom en vätska. Under denna process bildas mikroskopiska bubblor som växer och sedan kollapsar våldsamt. Bubblornas implosiva kollaps skapar extrema lokala förhållanden, bland annat kraftiga tryck- och temperaturgradienter, höga skjuvkrafter, stötvågor och mikrostrålar av vätska. Dessa krafter bryter effektivt ned stora partiklar, droppar och agglomerat till mycket mindre strukturer.
Bilden till vänster visar akustisk kavitation som genereras av ultraljudsprocessorn UIP1000hdT (1000 W) i en vätskefylld glaskolonn.

Hur akustisk kavitation förbättrar emulgering

Vid både emulgering och nanoemulgering är kavitationsintensiteten en nyckelfaktor som bestämmer droppstorleken. När kavitationsbubblor kollapsar bryter de resulterande skjuvkrafterna sönder större droppar till allt mindre droppar. Samtidigt främjar de lokala tryck- och temperaturförändringarna bildningen av nya droppar och bidrar till att stabilisera emulsionen.
Denna kombination av droppsönderdelning och stabilisering gör det möjligt för ultraljudstekniken att framställa mycket enhetliga emulsioner med exceptionellt fina droppstorleksfördelningar.
 

Droppstorleksfördelning i vatten–olivoljeemulsioner framställda med (a) en klassisk homogeniseringsmetod och (b) ultraljudshomogenisering (med UP400S), med MD, WPI och deras blandning, med 40% torrsubstans och en oljehalt på 9% (w/w). Ultraljudsemulgering ger betydligt mindre droppar, mindre gräddsättning och bättre övergripande emulsionsstabilitet.
(studie och diagram: 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 vid satsvis bearbetning och genomflödesbearbetning.
System som består av flera ultraljudsprocessorer på upp till 16 000 watt vardera ger den kapacitet som behövs för att omvandla denna laboratorietillämpning till en effektiv produktionsmetod för att erhålla findispergerade emulsioner i kontinuerligt flöde eller satsvis – med resultat som är jämförbara med dem från dagens bästa tillgängliga högtryckshomogenisatorer, såsom den nya strypventilen. Utöver denna höga effektivitet vid kontinuerlig emulgering kräver Hielschers ultraljudsapparater mycket lite underhåll och är mycket enkla att använda och rengöra. Ultraljudet bidrar faktiskt till rengöringen och sköljningen. Ultraljudseffekten är justerbar och kan anpassas till specifika produkter och emulgeringskrav. Särskilda flödescellsreaktorer som uppfyller de avancerade kraven för CIP (rengöring på plats) och SIP (sterilisering på plats) finns också tillgängliga.

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator är ett kraftfullt tillbehör som är kompatibelt med Hielschers ultraljudsreaktorer med flödesceller: Med insatsen MPC48 injiceras den dispergerade fasen via 48 kanyler som tunna vätskesträngar i den intensiva ultraljudszonen, där den dispergerade fasen och den kontinuerliga fasen blandas i form av mycket små droppar till en nanoemulsion.
Upptäck hur MultiPhaseCavitator förbättrar emulgeringen!

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