Ett brett utbud av mellan- och konsumentprodukter, såsom kosmetika och hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger och smörjmedel och bränslen är helt eller delvis baserade på emulsioner. Hielscher tillverkar världens största industriella ultraljud flytande processorer 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 ultraljud emulgering är baserad på användningen av ultraljudssonder, så kallade sonotrodes. 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 enhetlig submikron- eller nanoemulsion.

Fördelar med ultraljud emulgering

Ultraljud emulgering med hjälp av en sond-typ ultrasonicator erbjuder flera fördelar jämfört med andra emulgerande tekniker:

1. Förbättrad emulsionsstabilitet: Ultraljud emulgering skapar mindre droppstorlekar och mer enhetlig droppfördelning, vilket resulterar i förbättrad emulsionsstabilitet och en längre hållbarhet. Submicron- andn nano-stora droppar kan produceras på ett tillförlitligt sätt med hjälp av ultraljud.
2. Energieffektivitet: Ultraljud emulgering kräver mindre energi än andra emulgering metoder, vilket gör det till en mer energieffektiv process.
3. Skalbarhet: Ultraljud emulgering kan enkelt skalas upp eller ner beroende på önskad volym, vilket gör det till en mångsidig process för både laboratorie- och industriella applikationer.
4. Tidsbesparande: Ultraljud emulgering kan vara en mycket snabb process, med emulsioner som bildas i sekunder till minuter, beroende på vätskor, volym och utrustning.
5. Minskat behov av ytaktiva ämnen: Ultraljud emulgering kan minska behovet av ytaktiva ämnen, som ofta krävs för att stabilisera emulsioner. Men med en minskad droppstorlek ökar partikelns ytarea och mer yta måste täckas av ett ytaktivt medel. Ultraljud är kompatibel med nästan alla typer av ytaktiva medel inklusive alternativa och nya emulgeringsmedel.
6. Minimal och kontrollerbar värmeproduktion: Ultraljud emulgering är en icke-termisk process och värmeproduktion under bearbetning kan undvikas eller reduceras i liten utsträckning. Därigenom minskar risken för termisk nedbrytning av känsliga föreningar eller ingredienser.

Sammantaget gör fördelarna med ultraljud emulgering med hjälp av en sond-typ ultrasonicator det ett populärt val för emulgering inom en mängd olika områden, inklusive mat och dryck, läkemedel, kosmetika, fina kemikalier och bränslen.

Ultraljud beredning av en olja-i-vatten (O/W) emulsion (rött vatten / gul olja). Några sekunder av ultraljudsbehandling förvandla separata vatten / olja faser till en fin emulsion.

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

Vad är en Emulsion?
Emulsioner är dispersioner av två eller flera icke blandbara vätskor. Mycket intensivt ultraljud levererar den kraft som behövs för att skingra en flytande fas (dispergerad fas) i små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I spridning zonen, implodera kavitation bubblor orsaka intensiva chock vågor i den omgivande vätskan och resultera i bildandet av flytande jets av hög vätske hastighet.

Nano-emulsioner – En kraftapplikation för ultrasonicators

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 traditionella emulgeringstekniker, särskilt när det gäller bildandet av nanoemulsioner. Detta beror på den mycket effektiva och energiintensiva arbetsprincipen för ultraljud.

Arbetsprincip för ultraljud emulgering

Ultraljud emulgering processer använder krafterna av akustisk kavitation. Akustisk kavitation avser 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 högskjuvkrafter, chockvågor och mikrostrålar som kan bryta ner stora partiklar och agglomerera till mindre. Bilden till vänster visar ultraljud kavitation genereras vid sonden av ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watt) i en vätskefylld glaskolonn.
Vid emulgering och nanoemulgering spelar intensiteten av akustisk kavitation en avgörande roll för att minska storleken på droppar 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 tillhandahålla lokaliserad och intensiv energitillförsel till det flytande mediet, utan behov av höga mekaniska eller termiska spänningar. 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 smalare droppstorleksfördelning.
På grund av dessa exakt kontrollerbara ultraljudskrafter är akustisk kavitation ett kraftfullt verktyg för nano-emulgering. Dess förmåga att generera lokaliserad och intensiv energitillförsel gör det möjligt att bryta ner större droppar som bildar submikron- och nanostora med mycket hög effektivitet.

Studier på olja i vatten (vatten fas) och vatten i olja (oljefas) emulsioner har visat sambandet mellan energi täthet och droplet storlek (t. ex. Sauter diameter). Det finns en tydlig tendens till mindre droplet-storlek på ökad energi täthet (Klicka på höger bild). Vid lämpliga energitäthetsnivåer kan ultraljud enkelt och tillförlitligt uppnå genomsnittliga droppstorlekar i nanoområdet.

Ultraljud sonder för effektiv emulgering

Hielscher erbjuder ett brett utbud av sond-typ ultrasonicators och tillbehör för effektiv emulgering och spridning av vätskor i batch och genomströmning läge.
System som består av flera ultraljud processorer på upp till 16.000 watt vardera, ger den kapacitet som behövs för att översätta denna lab ansökan till en effektiv produktionsmetod för att erhålla fint dispergerade emulsioner i kontinuerligt flöde eller i en sats – uppnå resultat som är jämförbara med dagens bästa högtrycks Homogenisatorer tillgängliga, såsom den nya Stryp ventilen. Förutom denna höga verknings grad i kontinuerlig emulgering, Hielscher Ultrasonic enheter kräver mycket lågt underhåll och är mycket lätt att använda och att rengöra. Ultraljud stöder faktiskt rengöring och sköljning. Ultraljud makt är justerbar och kan anpassas till vissa produkter och emulgering krav. Speciella flöde cell reaktorer som uppfyller Advanced CIP (ren-på-plats) och SIP (sterilisera-in-Place) krav finns också.