การทำอิมัลชันด้วยคาวิเทชันจากอัลตราโซนิก

ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางและผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคหลากหลายประเภท – เช่น เครื่องสำอาง โลชันทาผิว ยาขี้ผึ้ง วาร์นิช สี สารหล่อลื่น และเชื้อเพลิง – มีอิมัลชันเป็นพื้นฐานทั้งหมดหรือบางส่วน
Hielscher ผลิตเครื่องประมวลผลของเหลวด้วยอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุดในโลก เพื่อทำอิมัลชันอย่างมีประสิทธิภาพจากกระแสของเหลวปริมาณมากในโรงงานผลิต

การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร

การใช้งานในห้องปฏิบัติการ: ในห้องปฏิบัติการ ความสามารถของอัลตราซาวนด์ในการทำอิมัลชันเป็นที่รู้จักและนำมาใช้มานานแล้ว เนื่องจากประโยชน์หลายประการที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิก

เทคโนโลยี

การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกที่เชื่อถือได้อาศัยการใช้โพรบอัลตราโซนิก หรือที่เรียกว่าโซโนโทรด กระบวนการทำงานมีดังนี้:

1. การส่งผ่านพลังงานอัลตราซาวนด์: อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงถูกส่งผ่านเข้าสู่ของเหลวทางโพรบอัลตราโซนิก ทำให้เกิดคาวิเทชันจากคลื่นเสียง
2. ผลของคาวิเทชัน: คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกหรือคลื่นเสียงก่อให้เกิดแรงเฉือนสูง ซึ่งให้พลังงานที่จำเป็นในการทำให้หยดขนาดใหญ่แตกตัวเป็นหยดขนาดนาโน
3. การเกิดอิมัลชัน: เฟสของเหลวตั้งแต่สองเฟสขึ้นไปถูกผสมให้เป็นอิมัลชันระดับซับไมครอนหรือนาโนที่สม่ำเสมอ

 
การขยายขนาดสู่ระดับอุตสาหกรรมด้วยเทคโนโลยีการไหลผ่าน: การใช้เซลล์การไหลอัลตราโซนิกช่วยให้ขยายขนาดแบบเชิงเส้นไปสู่การผลิตนาโนอิมัลชันระดับอุตสาหกรรมได้ โดยประมวลผลกระแสของเหลวปริมาณมากด้วยการไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง

ข้อดีของการทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิก

การทำอิมัลชันด้วยเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับเทคนิคการทำอิมัลชันอื่น ๆ:

1. ความเสถียรของอิมัลชันที่ดีขึ้น: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกทำให้หยดมีขนาดเล็กลงและมีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอมากขึ้น ส่งผลให้อิมัลชันมีความเสถียรดีขึ้นและมีอายุการเก็บรักษานานขึ้น สามารถผลิตหยดขนาดซับไมครอนและนาโนได้อย่างเชื่อถือได้โดยใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง
2. ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกใช้พลังงานน้อยกว่าวิธีการทำอิมัลชันอื่น ๆ จึงเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่า
3. ความสามารถในการปรับขนาด: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มหรือลดขนาดได้ง่ายตามปริมาตรที่ต้องการ จึงเป็นกระบวนการที่ใช้งานได้หลากหลายทั้งในห้องปฏิบัติการและในอุตสาหกรรม
4. การประหยัดเวลา: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกสามารถเป็นกระบวนการที่รวดเร็วมาก โดยอิมัลชันก่อตัวภายในเวลาไม่กี่วินาทีถึงไม่กี่นาที ขึ้นอยู่กับของเหลว ปริมาตร และอุปกรณ์
5. ความต้องการสารลดแรงตึงผิวที่ลดลง: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกสามารถลดความต้องการสารลดแรงตึงผิว ซึ่งมักจำเป็นต่อการทำให้อิมัลชันเสถียร อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดหยดลดลง พื้นที่ผิวของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น และต้องใช้สารลดแรงตึงผิวปกคลุมพื้นที่มากขึ้น การใช้อัลตราโซนิกเข้ากันได้กับสารลดแรงตึงผิวแทบทุกชนิด รวมถึงสารทำอิมัลชันทางเลือกและชนิดใหม่
6. การเกิดความร้อนน้อยที่สุดและควบคุมได้: การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกเป็นกระบวนการที่ไม่ใช้ความร้อน และสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดความร้อนระหว่างกระบวนการหรือลดให้เหลือเพียงเล็กน้อยได้ จึงลดความเสี่ยงของการเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนของสารประกอบหรือส่วนผสมที่ไวต่อความร้อน

ข้อดีของการทำอิมัลชันด้วยเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบทำให้เทคนิคนี้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการทำอิมัลชันในหลากหลายสาขา รวมถึงอาหารและเครื่องดื่ม เภสัชภัณฑ์ เครื่องสำอาง สารเคมีละเอียด และเชื้อเพลิง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำอิมัลชันมายองเนสด้วยอัลตราโซนิก!
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการผลิตอิมัลชันไขพาราฟินด้วยการใช้อัลตราโซนิก!
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิมัลชันน้ำในน้ำมันดีเซลที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิก!

การวัดด้วย DLS แสดงการกระจายขนาดหยดที่สม่ำเสมอของอิมัลชันน้ำมันกุหลาบในน้ำที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิก

อิมัลชันคืออะไร?
อิมัลชันคือระบบกระจายตัวของของเหลวตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่ไม่ละลายเข้ากัน อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงมากให้กำลังที่จำเป็นในการกระจายเฟสของเหลวหนึ่ง (เฟสกระจาย) เป็นหยดขนาดเล็กในอีกเฟสหนึ่ง (เฟสต่อเนื่อง) ในบริเวณที่เกิดการกระจายตัว ฟองคาวิเทชันที่ยุบตัวเข้าด้านในทำให้เกิดคลื่นกระแทกรุนแรงในของเหลวโดยรอบ และส่งผลให้เกิดลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูง

นาโนอิมัลชัน – การใช้งานอันทรงพลังของเครื่องอัลตราโซนิก

นาโนอิมัลชันคืออิมัลชันที่มีหยดซึ่งโดยทั่วไปมีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร นาโนอิมัลชันมีข้อดีหลายประการเหนืออิมัลชันทั่วไป รวมถึงสมบัติเชิงหน้าที่ที่เป็นเอกลักษณ์ ความเสถียรที่สูงกว่า ความโปร่งใส เป็นต้น
การใช้อัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคโนโลยีการทำอิมัลชันแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะในการสร้างนาโนอิมัลชัน เนื่องจากหลักการทำงานของอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพสูงและมีความเข้มของพลังงานสูง

 
วิดีโอด้านล่างแสดงกระบวนการทำอิมัลชันของน้ำมัน (สีเหลือง) ในน้ำ (สีแดง) โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการ UP400S

หลักการทำงานของการทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิก

คาวิเทชันจากคลื่นเสียง: แรงขับเคลื่อนเบื้องหลังการทำอิมัลชันและนาโนอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิก
การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกอาศัยผลอันทรงพลังของคาวิเทชันจากคลื่นเสียง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงผ่านของเหลว ระหว่างกระบวนการนี้ ฟองขนาดจุลภาคจะก่อตัว เติบโต แล้วพังยุบอย่างรุนแรง การพังยุบเข้าด้านในของฟองเหล่านี้ก่อให้เกิดสภาวะเฉพาะที่ที่รุนแรงมาก รวมถึงความชันของความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก แรงเฉือนสูง คลื่นกระแทก และลำพุ่งของของเหลวขนาดจุลภาค แรงเหล่านี้ทำให้อนุภาคขนาดใหญ่ หยด และกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันแตกตัวเป็นโครงสร้างที่เล็กลงมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ภาพทางซ้ายแสดงคาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่เกิดจากเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก UIP1000hdT (1000 W) ซึ่งทำงานในคอลัมน์แก้วที่บรรจุของเหลว

คาวิเทชันจากคลื่นเสียงช่วยปรับปรุงการทำอิมัลชันอย่างไร

ในการทำทั้งอิมัลชันและนาโนอิมัลชัน ความเข้มของคาวิเทชันเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดขนาดหยด เมื่อฟองคาวิเทชันพังยุบ แรงเฉือนที่เกิดขึ้นจะทำให้หยดขนาดใหญ่แตกตัวเป็นหยดที่เล็กลงเรื่อย ๆ ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิเฉพาะที่ส่งเสริมการก่อตัวของหยดใหม่ พร้อมช่วยให้อิมัลชันเสถียร
การทำให้หยดแตกตัวร่วมกับการทำให้เสถียรนี้ช่วยให้เทคโนโลยีอัลตราโซนิกผลิตอิมัลชันที่สม่ำเสมอสูง โดยมีการกระจายขนาดหยดที่ละเอียดเป็นพิเศษ
 

การกระจายขนาดหยดของอิมัลชันน้ำกับน้ำมันมะกอกที่เตรียมด้วย (a) วิธีทำให้เป็นเนื้อเดียวกันแบบดั้งเดิม (b) วิธีทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยอัลตราโซนิก (ใช้ UP400S) โดยใช้ MD, WPI และส่วนผสมของทั้งสองชนิด ซึ่งมีปริมาณวัตถุแห้ง 40% และมีน้ำมัน 9% (w/w) การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกทำให้ได้หยดที่เล็กลงอย่างมีนัยสำคัญ การลอยตัวขึ้นเป็นชั้นครีมน้อยลง และความเสถียรโดยรวมของอิมัลชันดีขึ้น
(การศึกษาและกราฟ: Zungur et al., 2015)

โพรบอัลตราโซนิกสำหรับการทำอิมัลชันอย่างมีประสิทธิภาพ

Hielscher มีเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบและอุปกรณ์เสริมให้เลือกหลากหลาย สำหรับการทำอิมัลชันและการกระจายของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพในโหมดแบบแบตช์และแบบไหลผ่าน
ระบบที่ประกอบด้วยเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกหลายเครื่อง ซึ่งแต่ละเครื่องมีกำลังสูงสุดถึง 16,000 วัตต์ ให้ขีดความสามารถที่จำเป็นในการนำการใช้งานในห้องปฏิบัติการนี้ไปสู่การผลิตที่มีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้อิมัลชันที่กระจายตัวอย่างละเอียดในกระแสการไหลต่อเนื่องหรือในแบตช์ – ให้ผลลัพธ์เทียบเท่ากับเครื่องทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยความดันสูงที่ดีที่สุดที่มีจำหน่ายในปัจจุบัน เช่น วาล์วออริฟิซแบบใหม่ นอกจากประสิทธิภาพสูงในการทำอิมัลชันอย่างต่อเนื่องแล้ว อุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ยังต้องการการบำรุงรักษาน้อยมาก และใช้งานและทำความสะอาดได้ง่ายมาก อัลตราซาวนด์ช่วยในการทำความสะอาดและการล้างได้จริง กำลังอัลตราโซนิกปรับได้และสามารถปรับให้เหมาะกับผลิตภัณฑ์และข้อกำหนดในการทำอิมัลชันแต่ละประเภท นอกจากนี้ยังมีเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลแบบพิเศษที่รองรับข้อกำหนดขั้นสูงของ CIP (การทำความสะอาดในที่) และ SIP (การทำให้ปราศจากเชื้อในที่)

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator เป็นอุปกรณ์เสริมอันทรงพลังที่เข้ากันได้กับเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลอัลตราโซนิกของ Hielscher: เมื่อใช้ชิ้นส่วนแทรก MPC48 เฟสกระจายจะถูกฉีดผ่านท่อแคนนูลา 48 ท่อเป็นสายของเหลวบาง ๆ เข้าสู่บริเวณร้อนของอัลตราโซนิก ซึ่งเฟสกระจายและเฟสต่อเนื่องจะผสมกันเป็นหยดเล็กละเอียดจนเกิดเป็นนาโนอิมัลชัน
ค้นพบว่า MultiPhaseCavitator ช่วยปรับปรุงการทำอิมัลชันได้อย่างไร!

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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