Ultrasonik Kavitasyon ile Emülsifiye
Kozmetik ve cilt losyonları, farmasötik merhemler, vernikler, boyalar ve yağlayıcılar ve yakıtlar gibi çok çeşitli ara ve tüketici ürünleri tamamen veya kısmen emülsiyonlara dayanmaktadır. Hielscher, üretim tesislerinde büyük hacimli akışların verimli emülsifiye edilmesi için dünyanın en büyük endüstriyel ultrasonik sıvı işlemcileri üretmektedir.
Ultrasonik Emülsivonlastırma
Laboratuarda, ultrasonun emülsifikasyon gücü bilinmektedir ve ultrasonik homojenizasyon ve emülsifikasyona bağlı çeşitli faydalar nedeniyle uzun süredir uygulanmaktadır. Güvenilir ultrasonik emülsifikasyon, sonotrodlar olarak adlandırılan ultrasonik probların kullanımına dayanmaktadır. Ultrasonik prob aracılığıyla, yüksek yoğunluklu ultrason sıvılara bağlanır ve akustik kavitasyon oluşturur. Ultrasonik veya akustik kavitasyon, büyük damlacıkları nano boyutlu damlacıklara kadar bozmak için gerekli enerjiyi sağlayan yüksek kesme kuvvetleri üretir. Böylece, iki veya daha fazla sıvı faz, düzgün bir mikron altı veya nano emülsiyon içine karıştırılır.
Ultrasonikatörler, mikron altı ve nano boyutlu emülsiyonlar üretmede güvenilir ve verimlidir.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Avantajları
Bir prob tipi ultrasonicator kullanarak ultrasonik emülsifikasyon diğer emülsifiye teknikleri üzerinde çeşitli avantajlar sunar:
- Geliştirilmiş emülsiyon kararlılığı: Ultrasonik emülsifikasyon daha küçük damlacık boyutları ve daha düzgün damlacık dağılımı oluşturur, bu da gelişmiş emülsiyon stabilitesi ve daha uzun raf ömrü ile sonuçlanır. Submikron ve nano boyutlu damlacıklar, güç ultrasonu kullanılarak güvenilir bir şekilde üretilebilir.
- Enerji verimliliği: Ultrasonik emülsifikasyon, diğer emülsifikasyon yöntemlerinden daha az enerji gerektirir ve bu da onu daha enerji verimli bir işlem haline getirir.
- Ölçeklenebilirlik: Ultrasonik emülsifikasyon, gerekli hacme bağlı olarak kolayca yukarı veya aşağı ölçeklendirilebilir, bu da hem laboratuvar hem de endüstriyel uygulamalar için çok yönlü bir işlem haline getirir.
- Zaman kazandıran: Ultrasonik emülsifikasyon, sıvılara, hacme ve ekipmana bağlı olarak saniyeler ila dakikalar içinde oluşan emülsiyonlarla çok hızlı bir işlem olabilir.
- Yüzey aktif maddelere olan ihtiyacın azalması: Ultrasonik emülsifikasyon, emülsiyonları stabilize etmek için sıklıkla gerekli olan yüzey aktif maddelere olan ihtiyacı azaltabilir. Bununla birlikte, azaltılmış bir damlacık boyutu ile, parçacığın yüzey alanı artar ve daha fazla alan bir yüzey aktif madde ile kaplanmalıdır. Ultrasonication alternatif ve yeni emülgatörler de dahil olmak üzere yüzey aktif madde hemen hemen her türlü ile uyumludur.
- Minimum ve kontrol edilebilir ısı üretimi: Ultrasonik emülsifikasyon termal olmayan bir işlemdir ve işleme sırasında ısı üretimi önlenebilir veya küçük bir dereceye kadar azaltılabilir. Böylece, hassas bileşiklerin veya bileşenlerin termal bozunma riski azalır.
Genel olarak, bir prob tipi ultrasonicator kullanarak ultrasonik emülsifikasyon avantajları, yiyecek ve içecek, ilaç, kozmetik, ince kimyasallar ve yakıtlar dahil olmak üzere çeşitli alanlarda emülsifikasyon için popüler bir seçim yapmak.
Bir yağ-in-su Ultrasonik hazırlık (O / W) emülsiyon (kırmızı su / sarı yağ). Sonication birkaç saniye ince bir emülsiyon içine ayrı su / yağ aşamaları açın.
Aşağıdaki video, UP400S laboratuvar ultrasonicator kullanarak yağın (sarı) suya (kırmızı) emülsifikasyon işlemini göstermektedir.
Emülsiyon nedir?Emülsiyon birbiri içinde çözünmeyen iki ya daha fazla sıvının homojen bir şekilde karıştırılma işlemidir. Oldukça yoğun ve şiddetli ultrasonik güç sıvı fazın küçük damlacıklar halinde ikinci faza (sürekli faz) geçirilmesi için gerekli olan enerjiyi sağlamaktadır. Dağıtma bölgesinde, kavitasyon kabarcıkları sıvı içerisinde yoğun şok dalgaları ve yüksek hızda sıvı jetlerinin oluşmasına sebep olur.
Ultrasonikasyon ile verimli bir şekilde oluşturulabilen miniemülsiyonlar, kimyasal reaksiyonları arttırır. Makroemülsiyon polimerizasyonu (a) ve minimsüvyon polimerizasyonu (b) [Schork ve ark. 2005: 136]
Nano emülsiyonlar – Ultrasonikatörler için Bir Güç Uygulaması
Nanoemülsiyonlar, tipik olarak 100 nanometreden daha küçük olan damlacıklara sahip emülsiyonlardır. Nanoemülsiyonlar, benzersiz fonksiyonel özellikler, daha yüksek stabilite, şeffaflık vb. dahil olmak üzere geleneksel emülsiyonlara göre çeşitli avantajlar sunar.
Ultrasonication, özellikle nanoemülsiyonların oluşumu söz konusu olduğunda geleneksel emülsifikasyon teknolojilerini geride bırakmaktadır. Bunun nedeni, ultrasonun yüksek verimli ve enerji yoğun çalışma prensibidir.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Çalışma Prensibi
Ultrasonik emülsifikasyon işlemleri akustik kavitasyon kuvvetlerini kullanır. Akustik kavitasyon, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarına maruz kalan sıvı bir ortamda küçük kabarcıkların oluşumu, büyümesi ve patlama çökmesi fenomenini ifade eder. Bu kabarcıkların patlaması, büyük parçacıkları ve kümelenmeleri daha küçük olanlara parçalayabilen yüksek kesme kuvvetleri, şok dalgaları ve mikro jetler oluşturabilen yoğun yerel basınç ve sıcaklık gradyanları üretir. Soldaki resim, sıvı dolu bir cam sütunda ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watt) probunda üretilen ultrasonik kavitasyonu göstermektedir.
Emülsifikasyon ve nano-emülsifikasyonda, akustik kavitasyonun yoğunluğu, emülsiyondaki damlacıkların boyutunun azaltılmasında kritik bir rol oynar. Kavitasyon kabarcıklarının patlayıcı çöküşü, daha büyük damlacıkları daha küçük damlacıklara parçalayan güçlü kesme kuvvetleri oluşturabilir. Ayrıca, kavitasyon tarafından üretilen yerel basınç ve sıcaklık gradyanları da yeni damlacıkların oluşumunu teşvik edebilir ve emülsiyonu stabilize edebilir.
Akustik kavitasyonun benzersiz yönü, yüksek mekanik veya termal gerilmelere ihtiyaç duymadan sıvı ortama lokalize ve yoğun enerji girişi sağlama yeteneğidir. Bu, nano-emülsifikasyon için çekici bir teknik haline getirir, çünkü emülsifikasyon işlemi için gereken enerji girişini azaltabilirken, daha küçük bir damlacık boyutu ve daha dar damlacık boyutu dağılımı elde edebilir.
Bu hassas bir şekilde kontrol edilebilir ultrasonik kuvvetler nedeniyle, akustik kavitasyon nano-emülsifikasyon için güçlü bir araçtır. Lokalize ve yoğun enerji girişi üretme yeteneği, mikron altı ve nano boyutlu olanları oluşturan daha büyük damlacıkların çok yüksek verimlilikte parçalanmasına izin verir.
Suda yağ (su fazı) ve yağda su (yağ fazı) emülsiyonlarında yapılan çalışmalar enerji yoğunluğu ve damlacık boyutu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Artan enerji yoğunluğunda daha küçük damlacık boyutu için açık bir eğilim vardır. (aşağıdaki grafiğe tıklayınız). Uygun enerji yoğunluğu seviyelerinde, ultrason nano aralıktaki ortalama damlacık boyutlarına kolay ve güvenilir bir şekilde ulaşabilir.
Verimli Emülsifikasyon için Ultrasonik Problar
Hielscher verimli emülsifikasyon ve toplu ve akış modunda sıvıların dağılması için prob tipi ultrasonicators ve aksesuarları geniş bir yelpazede sunmaktadır.
Her biri 16.000 watt'a kadar birkaç ultrasonik işlemciden oluşan sistemler, bu laboratuvar uygulamasını sürekli akışta veya bir partide ince dağılmış emülsiyonlar elde etmek için verimli bir üretim yöntemine çevirmek için gereken kapasiteyi sağlar – Bugünün mevcut olan en iyi yüksek basınç homojenizatörleri ile karşılaştırılabilir sonuçlar elde edilebilmektedir. Bunun yanı sıra, Hielscher ultrasonik cihazlar çok düşük bakım gerektirmektedir, kullanılması ve temizlenmesi çok kolaydır. Sahip olduğu ultrasonik teknoloji sayesinde temizleme işlemi de çok kolay yapılabilmektedir. İhtiyaca ve ürün tipine göre ultrasonik gücü ayarlanabilmektedir. Özel akış hücresi reaktörü, yerinde temizleme (CIP) ve yerinde sterilizasyon (SIP) ihtiyaçlarına da cevap vermektedir.
MultiSonoReaktör MSR-4, yüksek verime sahip (nano-) emülsifikasyon prosesleri için uygun endüstriyel bir hat içi homojenizasyon reaktörüdür.
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 0,5 - 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | Uıp4000hdt |
| 15 ila 150L | 3 ila 15L/dak | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | grubu UIP16000 |
Bizimle iletişime geçin! / Bize sor!
Hielscher Ultrasonik uygulamaları karıştırma, dağılım, emülsifikasyon ve laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte çıkarma için yüksek performanslı ultrasonik homojenler üretmektedir.
Edebiyat / Referanslar
- 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.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.
- F. Joseph Schork; Yingwu Luo; Wilfred Smulders; James P. Russum; Alessandro Butté; Kevin Fontenot (2005): Miniemulsion Polymerization. Adv Polym Sci (2005) 175: 129–255.
Bilinmesi Gereken Gerçekler
Terimin Tanımı “Emülsiyon”
Bir emülsiyon, yağ ve su gibi iki veya daha fazla karışmaz sıvının bir karışımıdır.
Emülsiyonlar ya su içinde yağ (yağ damlacıklarının suda dağıldığı yer) ya da yağda su (su damlacıklarının yağda dağıldığı yer) olabilir. Emülsiyonlar, gıda ürünleri (salata sosları ve mayonez gibi), kozmetikler (losyonlar ve kremler gibi) ve farmasötikler (aşılar gibi) dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır.
Bir emülgatör, bir emülsiyondaki iki karışmaz madde (yağ ve su gibi) arasındaki yüzey gerilimini azaltarak çalışır. Bu, iki maddenin ayrılma eğilimini azaltır ve kararlı bir karışım oluşturmalarını sağlar.
StabilizatörEler
Genel olarak, emülsiyonlar bir emülsifiye edici ajan veya yüzey aktif madde kullanılarak stabilizasyon gerektirir. Emülgatörler amfifiliktir – hem su hem de yağlı maddeleri çekerler. Bu, emülsiyonun hem yağ hem de su fazlarıyla etkileşime girmelerini sağlayan hidrofilik (su seven) ve hidrofobik (yağ seven) özelliklere sahip oldukları anlamına gelir. Emülgatör molekülün hidrofilik kısmı su moleküllerine bağlanırken, hidrofobik kısım yağ moleküllerine bağlanır.
Yağ damlacıklarını emülgatör moleküllerle çevreleyerek, emülgatör, damlacıkların etrafında, birbirleriyle temas etmelerini ve daha büyük damlacıklar oluşturmak için birleşmelerini (bir araya gelmelerini) önleyen koruyucu bir tabaka oluşturur. Bu, emülsiyonun sabit kalmasına yardımcı olur ve ayrılmayı önler.
Bozulmadan sonra damlacıkların birleşmesi son damlacık boyutu dağılımını etkilediğinden, nihai damlacık boyutu dağılımını ultrasonik dağılım bölgesindeki damlacık bozulmasından hemen sonra dağılıma eşit bir seviyede tutmak için verimli bir şekilde stabilize edici emülgatörler kullanılır. Stabilizatörler aslında sabit enerji yoğunluğunda gelişmiş damlacık bozulmasına yol açar.
Yaygın olarak kullanılan emülgatörlere örnek olarak lesitin (yumurta sarısı ve soya fasulyesinde bulunur), mono ve digliseritler, polisorbat 80 ve sodyum stearoyl laktilat verilebilir.
Hielscher Ultrasonics yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir laboratuvar için endüstriyel boyut.