อิมัลชันโดยโพรงอากาศอัลตราโซนิก

ผลิตภัณฑ์ระดับกลางและสำหรับผู้บริโภคหลากหลายประเภท – เช่น เครื่องสำอาง โลชั่นบำรุงผิว ยาขี้ผึ้ง น้ำยาเคลือบเงา สี ทินเนอร์ น้ำมันหล่อลื่น และเชื้อเพลิง – มีพื้นฐานทั้งหมดหรือบางส่วนจากอิมัลชัน
Hielscher ผลิตเครื่องประมวลผลของเหลวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงสำหรับอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุดในโลก เพื่อการอิมัลซิฟิเคชั่นที่มีประสิทธิภาพของกระแสของเหลวปริมาณมากในโรงงานผลิต

การทำงานของการกระจายตัวด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

การประยุกต์ใช้ในห้องปฏิบัติการ: ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการ กำลังการทำให้เกิดอิมัลชันของคลื่นเสียงความถี่สูงได้รับการรู้จักและนำมาใช้มาเป็นเวลานานแล้ว เนื่องจากประโยชน์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการทำให้เกิดอิมัลชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

เทคโนโลยี

การกระจายตัวแบบอัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้ขึ้นอยู่กับการใช้โพรบอัลตราโซนิก หรือที่เรียกว่าโซโนโทรด กระบวนการทำงานดังนี้:

1. การเชื่อมต่ออัลตราซาวด์ ผ่านหัวตรวจอัลตราโซนิก คลื่นเสียงความเข้มสูงจะถูกส่งผ่านเข้าไปในของเหลว ก่อให้เกิดปรากฏการณ์อะคูสติกคาวิเตชัน
2. ปรากฏการณ์คาวิเตชัน: การเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นอัลตราโซนิกหรืออะคูสติกสร้างแรงเฉือนสูง ซึ่งให้พลังงานที่จำเป็นในการทำลายหยดขนาดใหญ่ให้กลายเป็นหยดขนาดเล็กถึงระดับนาโน
3. การเกิดอิมัลชัน: ของเหลวสองเฟสหรือมากกว่านั้นถูกผสมเข้าด้วยกันจนกลายเป็นอิมัลชันที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่าไมครอนหรือนาโน

 
การขยายขนาดอุตสาหกรรมด้วยเทคโนโลยีแบบไหลผ่าน: การใช้เซลล์วัดการไหลแบบอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถปรับขนาดการผลิตนาโนอิมัลชันไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้อย่างเป็นเชิงเส้น โดยสามารถประมวลผลปริมาณมากในกระบวนการไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง

ข้อดีของการผสมแบบอัลตราโซนิก

อิมัลชันอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบมีข้อดีหลายประการเหนือเทคนิคอิมัลชันอื่น ๆ :

1. ปรับปรุงเสถียรภาพของอิมัลชัน: อิมัลชันอัลตราโซนิกสร้างขนาดหยดที่เล็กลงและการกระจายของหยดที่สม่ําเสมอมากขึ้นส่งผลให้เสถียรภาพของอิมัลชันดีขึ้นและอายุการเก็บรักษาที่ยาวนานขึ้น หยดขนาดซับไมครอนและนาโนสามารถผลิตได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้อัลตราซาวนด์กําลัง
2. ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: อิมัลชันอัลตราโซนิกใช้พลังงานน้อยกว่าวิธีการอิมัลชันอื่น ๆ ทําให้เป็นกระบวนการที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น
3. ความสามารถในการปรับขนาด: อิมัลชันอัลตราโซนิกสามารถปรับขนาดขึ้นหรือลงได้อย่างง่ายดายขึ้นอยู่กับปริมาตรที่ต้องการทําให้เป็นกระบวนการที่หลากหลายสําหรับการใช้งานทั้งในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม
4. ประหยัดเวลา: อิมัลชันอัลตราโซนิกอาจเป็นกระบวนการที่รวดเร็วมากโดยอิมัลชันจะก่อตัวในไม่กี่วินาทีถึงไม่กี่นาทีขึ้นอยู่กับของเหลวปริมาตรและอุปกรณ์
5. ลดความต้องการสารลดแรงตึงผิว: อิมัลชันอัลตราโซนิกสามารถลดความจําเป็นในการใช้สารลดแรงตึงผิวซึ่งมักจําเป็นเพื่อรักษาเสถียรภาพของอิมัลชัน อย่างไรก็ตาม ด้วยขนาดหยดที่ลดลง พื้นที่ผิวของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น และต้องครอบคลุมพื้นที่มากขึ้นด้วยสารลดแรงตึงผิว อัลตราโซนิกเข้ากันได้กับสารลดแรงตึงผิวเกือบทุกชนิดรวมถึงอิมัลซิไฟเออร์ทางเลือกและแบบใหม่
6. การสร้างความร้อนน้อยที่สุดและควบคุมได้: อิมัลชันอัลตราโซนิกเป็นกระบวนการที่ไม่ใช่ความร้อนและการสร้างความร้อนในระหว่างการประมวลผลสามารถหลีกเลี่ยงหรือลดระดับเล็กน้อยได้ ด้วยเหตุนี้ความเสี่ยงของการย่อยสลายทางความร้อนของสารประกอบหรือส่วนผสมที่ละเอียดอ่อนจึงลดลง

ข้อดีของอิมัลชันอัลตราโซนิกโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบทําให้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสําหรับการอิมัลชันในหลากหลายสาขารวมถึงอาหารและเครื่องดื่มยาเครื่องสําอางเคมีภัณฑ์ชั้นดีและเชื้อเพลิง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิมัลชันมายองเนสอัลตราโซนิก!
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการผลิตอิมัลชันขี้ผึ้งพาราฟินโดยใช้การ sonication!
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Water-in-Diesel Emulsions ที่ผลิตโดยใช้อัลตราโซนิกส์!

การวัด DLS แสดงการกระจายขนาดของหยดน้ำมันกุหลาบในน้ำที่ผลิตด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงอย่างสม่ำเสมอ

อิมัลชันคืออะไร?
อิมัลชันคือการกระจายตัวของของเหลวที่เข้ากันไม่ได้ตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป อัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มข้นสูงจะจ่ายพลังงานที่จําเป็นในการกระจายเฟสของเหลว (เฟสกระจาย) ในหยดเล็ก ๆ ในเฟสที่สอง (เฟสต่อเนื่อง) ในโซนกระจาย ฟองอากาศที่ระเบิดทําให้เกิดคลื่นกระแทกอย่างเข้มข้นในของเหลวโดยรอบ และส่งผลให้เกิดการก่อตัวของไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วของเหลวสูง

นาโนอิมัลชัน – การประยุกต์ใช้พลังงานสำหรับโซนิเคเตอร์

นาโนอิมัลชันเป็นอิมัลชันที่มีหยดน้ําซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดน้อยกว่า 100 นาโนเมตร นาโนอิมัลชันมีข้อดีหลายประการเหนืออิมัลชันทั่วไป รวมถึงคุณสมบัติการทํางานที่เป็นเอกลักษณ์ ความเสถียรที่สูงขึ้น ความโปร่งใส ฯลฯ
Ultrasonication แข่งขันได้เหนือกว่าเทคโนโลยีอิมัลชันแบบดั้งเดิมโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงการก่อตัวของนาโนอิมัลชัน นี่เป็นเพราะหลักการทํางานของอัลตราซาวนด์ที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานมาก

 
วิดีโอด้านล่างแสดงกระบวนการอิมัลชันของน้ํามัน (สีเหลือง) เป็นน้ํา (สีแดง) โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกในห้องปฏิบัติการ UP400S

หลักการทํางานของอิมัลชันอัลตราโซนิก

อะคูสติกคาวิเตชั่น: แรงขับเคลื่อนเบื้องหลังการอิมัลซิฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงและการอิมัลซิฟิเคชันระดับนาโน
การอิมัลซิฟิเคชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงอาศัยผลอันทรงพลังของการเกิดโพรงเสียง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเสียงความถี่สูงผ่านของเหลว ในระหว่างกระบวนการนี้ ฟองอากาศขนาดเล็กมากจะก่อตัวขึ้น เติบโต และยุบตัวอย่างรุนแรง การยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองอากาศเหล่านี้ก่อให้เกิดสภาวะเฉพาะที่รุนแรง รวมถึงความดันและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แรงเฉือนสูง คลื่นกระแทก และลำของเหลวขนาดเล็ก แรงเหล่านี้ทำลายอนุภาคขนาดใหญ่ หยดน้ำ และกลุ่มอนุภาคให้กลายเป็นโครงสร้างที่เล็กลงอย่างมาก
ภาพทางด้านซ้ายแสดงการเกิดโพรงอากาศอะคูสติกที่เกิดจากเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก UIP1000hdT (1000 วัตต์) ที่ทำงานในคอลัมน์แก้วที่เต็มไปด้วยของเหลว

การปรับปรุงการเกิดอิมัลซิฟิเคชันด้วยอะคูสติกคาวิเตชัน

ทั้งในกระบวนการอิมัลซิฟิเคชันและนาโนอิมัลซิฟิเคชัน ความเข้มของการเกิดโพรงอากาศเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดขนาดของหยดน้ำ เมื่อฟองอากาศจากการเกิดโพรงอากาศยุบตัวลง แรงเฉือนที่เกิดขึ้นจะทำให้หยดน้ำขนาดใหญ่แตกตัวเป็นหยดน้ำที่เล็กลงเรื่อยๆ ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของความดันและอุณหภูมิในบริเวณเฉพาะยังช่วยส่งเสริมการเกิดหยดน้ำใหม่ พร้อมทั้งช่วยรักษาเสถียรภาพของอิมัลชัน
การผสมผสานระหว่างการแตกตัวของหยดและการคงตัวนี้ทำให้เทคโนโลยีอัลตราโซนิกสามารถผลิตอิมัลชันที่มีความสม่ำเสมอสูงพร้อมการกระจายขนาดหยดที่ละเอียดเป็นพิเศษ
 

การกระจายขนาดของหยดน้ำในน้ำมันมะกอกที่เตรียมโดย (a) วิธีโฮโมจีไนซ์แบบคลาสสิก (b) วิธีโฮโมจีไนซ์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (โดยใช้เครื่อง UP400S) กับ MD, WPI และส่วนผสมของทั้งสอง โดยมีปริมาณสารแห้ง 40% และปริมาณน้ำมัน 9% (น้ำหนักต่อน้ำหนัก) ผลการทดสอบการกระจายขนาดของหยดน้ำพบว่า วิธีโฮโมจีไนซ์ด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงให้หยดน้ำที่มีขนาดเล็กกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ลดการเกิดครีม และมีความเสถียรของน้ำมันในน้ำโดยรวมที่ดีกว่า
(การศึกษาและกราฟ: Zungur et al., 2015)

โพรบอัลตราโซนิกเพื่ออิมัลชันที่มีประสิทธิภาพ

Hielscher นําเสนอเครื่องอัลตราโซนิกและอุปกรณ์เสริมแบบโพรบที่หลากหลายสําหรับการทําให้เป็นอิมัลชันและการกระจายตัวของของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพในโหมดแบทช์และโหมดการไหลผ่าน
ระบบที่ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกหลายตัวที่มีกําลังไฟสูงถึง 16,000 วัตต์แต่ละตัวให้ความจุที่จําเป็นในการแปลแอปพลิเคชันในห้องปฏิบัติการนี้ให้เป็นวิธีการผลิตที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้ได้อิมัลชันที่กระจายตัวอย่างประณีตในการไหลต่อเนื่องหรือเป็นชุด – บรรลุผลลัพธ์ที่เทียบได้กับโฮโมจีไนเซอร์แรงดันสูงที่ดีที่สุดในปัจจุบัน เช่น Orifice Valve ใหม่ นอกเหนือจากประสิทธิภาพสูงในการทําให้เป็นอิมัลชันอย่างต่อเนื่องแล้วอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ยังต้องการการบํารุงรักษาที่ต่ํามากและใช้งานง่ายและทําความสะอาด อัลตราซาวนด์สนับสนุนการทําความสะอาดและล้างจริง พลังงานอัลตราโซนิกสามารถปรับได้และสามารถปรับให้เข้ากับผลิตภัณฑ์เฉพาะและความต้องการอิมัลชัน เครื่องปฏิกรณ์โฟลว์เซลล์พิเศษที่ตรงตามข้อกําหนด CIP (clean-in-place) และ SIP (sterilize-in-place) ขั้นสูงก็มีให้บริการเช่นกัน

มัลติเฟสคาวิเทเตอร์ (MPC48)
MultiPhaseCavitator เป็นอุปกรณ์เสริมที่ทรงพลังซึ่งสามารถใช้งานร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์แบบเซลล์ไหลของ Hielscher ได้: โดยใช้แผ่นแทรก MPC48, ระยะกระจายจะถูกฉีดผ่านท่อแคนนูลา 48 ท่อเป็นเส้นบางของของเหลวเข้าสู่โซนความร้อนของอัลตราโซนิก ซึ่งระยะกระจายและระยะต่อเนื่องจะถูกผสมเป็นหยดเล็กๆ จนกลายเป็นนาโนอิมัลชัน
ค้นพบวิธีที่ MultiPhaseCavitator ช่วยปรับปรุงการกระจายตัว!

วรรณกรรม / อ้างอิง