Ultrasonik Kavitasyon ile Emülsifiye Etme
Kozmetik ve cilt losyonları, farmasötik merhemler, vernikler, boyalar ve yağlayıcılar ve yakıtlar gibi çok çeşitli ara ürün ve tüketici ürünleri tamamen veya kısmen emülsiyonlara dayanmaktadır. Hielscher, üretim tesislerinde büyük hacimli akışların verimli bir şekilde emülsifiye edilmesi için dünyanın en büyük endüstriyel ultrasonik sıvı işlemcilerini üretmektedir.
Ultrasonik Emülsifikasyon
Laboratuvarda, ultrasonun emülsifikasyon gücü, ultrasonik homojenizasyon ve emülsifikasyona bağlı çeşitli faydalar nedeniyle uzun süredir bilinmekte ve uygulanmaktadır. Güvenilir ultrasonik emülsifikasyon, sonotrod adı verilen ultrasonik probların kullanımına dayanır. 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, tek tip bir mikron altı veya nano emülsiyona karıştırılır.
Ultrasonik akış hücrelerinin kullanılması, sürekli akışta büyük hacimli akışları işleyen nanoemülsiyonların endüstriyel üretimine doğrusal ölçek büyütmeye izin verir.
Çok Fazlı Kavitatör: Benzersiz Hielscher akış hücresi eki MPC48, Hielscher ultrasonik akış hücresi reaktörleri ile uyumlu güçlü bir aksesuardır. MPC48 eki kullanılarak, dağınık faz, ultrasonik sıcak bölgeye ince sıvı şeritler halinde 48 kanül yoluyla enjekte edilir, burada dağılmış faz ve sürekli faz, bir nanoemülsiyona küçük damlacıklar olarak karıştırılır. Ultrasonik akış hücresi ek parçası MPC48 hakkında daha fazla bilgi edinin!
Ultrasonikatörler, mikron altı ve nano boyutlu emülsiyonların üretiminde güvenilir ve verimlidir.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Avantajları
Prob tipi bir ultrasonicator kullanarak ultrasonik emülsifikasyon, diğer emülsifiye edici tekniklere göre çeşitli avantajlar sunar:
- Geliştirilmiş emülsiyon stabilitesi: Ultrasonik emülsifikasyon, daha küçük damlacık boyutları ve daha düzgün damlacık dağılımı oluşturur, bu da gelişmiş emülsiyon stabilitesi ve daha uzun bir raf ömrü sağlar. Mikron altı 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 süreç haline getirir.
- Ölçeklenebilirlik: Ultrasonik emülsifikasyon, gerekli hacme bağlı olarak kolayca yukarı veya aşağı ölçeklendirilebilir, bu da onu hem laboratuvar hem de endüstriyel uygulamalar için çok yönlü bir süreç haline getirir.
- Zaman Tasarrufu: 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, partikülün yüzey alanı artar ve bir yüzey aktif madde tarafından daha fazla alanın kaplanması gerekir. Ultrasonication, alternatif ve yeni emülgatörler de dahil olmak üzere hemen hemen her türlü yüzey aktif madde 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 azaltılır.
Prob tipi bir ultrasonicator kullanarak ultrasonik emülsifikasyonun avantajları, yiyecek ve içecek, ilaç, kozmetik, ince kimyasallar ve yakıtlar dahil olmak üzere çeşitli alanlarda emülsifikasyon için mükemmel bir seçimdir.
Ultrasonik mayonez emülsifikasyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!
Sonikasyon kullanarak parafin balmumu emülsiyonlarının üretimi hakkında daha fazla bilgi edinin!
Ultrasonik kullanılarak üretilen Dizel İçinde Su Emülsiyonları hakkında daha fazla bilgi edinin!
Su içinde yağ (O / W) emülsiyonunun (kırmızı su / sarı yağ) ultrasonik hazırlanması. Birkaç saniyelik sonikasyon, ayrı su / yağ fazlarını ince bir emülsiyona dönüştürür.
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.
Ultrasonication ile verimli bir şekilde oluşturulabilen miniemülsiyonlar, kimyasal reaksiyonları geliştirir. Makroemülsiyon polimerizasyonu (a) ve miniemülsiyon polimerizasyonu (b) [Schork ve ark. 2005: 136]
nano emülsiyonlar – Ultrasonikatörler için bir güç uygulaması
Nanoemülsiyonlar, tipik olarak 100 nanometreden daha küçük damlacıklara sahip emülsiyonlardır. Nanoemülsiyonlar, benzersiz fonksiyonel özellikler, daha yüksek stabilite, şeffaflık vb. dahil olmak üzere geleneksel emülsiyonlara göre çeşitli avantajlar sunar.
Ultrasonikasyon, özellikle nanoemülsiyonların oluşumu söz konusu olduğunda, geleneksel emülsifikasyon teknolojilerini geride bırakır. Bu, ultrasonun yüksek verimli ve enerji yoğun çalışma prensibinden kaynaklanmaktadır.
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 patlaması olgusunu ifade eder. Bu kabarcıkların patlaması, büyük parçacıkları ve aglomeraları daha küçük parçacıklara 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 boyutunu azaltmada kritik bir rol oynar. Kavitasyon kabarcıklarının içe doğru çökmesi, daha büyük damlacıkları daha küçük damlacıklara ayıran 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 streslere ihtiyaç duymadan sıvı ortama lokalize ve yoğun enerji girişi sağlama yeteneğidir. Bu, daha küçük bir damlacık boyutu ve daha dar damlacık boyutu dağılımı elde ederken emülsifikasyon işlemi için gereken enerji girdisini azaltabildiğinden, onu nano-emülsifikasyon için çekici bir teknik haline getirir.
Bu hassas kontrol edilebilir ultrasonik kuvvetler nedeniyle, akustik kavitasyon nano emülsifikasyon için güçlü bir araçtır. Lokalize ve yoğun enerji girdisi üretme yeteneği, çok yüksek bir verimlilikle mikron altı ve nano boyutlu damlacıklar oluşturan daha büyük damlacıkların 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 aralıkta ortalama damlacık boyutlarına kolay ve güvenilir bir şekilde ulaşabilir.
Verimli Emülsifikasyon için Ultrasonik Problar
Hielscher, toplu ve akış modunda sıvıların verimli emülsifikasyonu ve dağıtılması için geniş bir yelpazede prob tipi ultrasonicators ve aksesuarlar sunar.
Her biri 16.000 watt'a kadar olan birkaç ultrasonik işlemciden oluşan sistemler, bu laboratuvar uygulamasını sürekli akışta veya bir parti halinde ince dağılmış emülsiyonlar elde etmek için verimli bir üretim yöntemine dönüştürmek 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.
MultiSonoReactor MSR-4, yüksek verime sahip (nano-) emülsifikasyon prosesleri için uygun bir endüstriyel 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 | UIP4000hdT |
| 15 ila 150L | 3 ila 15L/dk | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | grubu UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sor!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir.
Literatür / 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.
- 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.
Bilmeye Değer Gerçekler
Terimin Tanımı “Emülsiyon”
Bir emülsiyon, yağ ve su gibi iki veya daha fazla karışmayan sıvının bir karışımıdır.
Emülsiyonlar, su içinde yağ (yağ damlacıklarının suda dağıldığı yer) veya yağ içinde 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 birbirine karışmayan iki madde (yağ ve su gibi) arasındaki yüzey gerilimini azaltarak çalışır. Bu, iki maddenin ayrılma eğilimini azaltır ve kararlı bir karışım oluşturmalarını sağlar.
Bir Emülsiyon Nasıl Stabil Hale Getirilir?
Bir emülsiyon, dağılmış fazın (bir sıvının damlacıkları) birleşmesini ve sürekli fazdan (çevreleyen sıvı) ayrılmasını önleyerek kararlı hale getirilir. Emülsiyonlarda stabilite elde etmek için birkaç önemli nokta dikkate alınmalıdır:
- Emülgatörler (Yüzey Aktif Maddeler):
– Rol: Emülgatörler, hem hidrofilik (su çeken) hem de hidrofobik (su itici) uçlara sahip moleküllerdir.
– Eylem: Birbirine karışmayan iki sıvı arasındaki yüzey gerilimini azaltırlar ve damlacıkların etrafında koruyucu bir tabaka oluşturarak birleşmelerini önlerler.
– Örnekler: Lesitin, polisorbatlar ve sodyum stearoil laktilat. - Mekanik Yöntemler:
Yüksek Performanslı Karıştırma: Damlacıkları daha küçük boyutlara ayırmak, yüzey alanını artırmak ve stabiliteyi artırmak için yüksek parçalayıcılı karıştırıcılar veya homojenizatörler kullanmak. Prob tipi sonikatörler, sonomekanik kesme kuvvetlerini kullanan mükemmel ve çok güvenilir bir yöntemdir. Bu ultrasonik kesme kuvvetleri, büyük damlacıkları küçük damlacıklara ayırır ve karışmayan fazları kararlı bir emülsiyon halinde karıştırır. - Viskozite Değiştiriciler:
Kıvam arttırıcılar: Sürekli fazın viskozitesinin arttırılması, damlacıkların hareketini yavaşlatarak birleşme olasılığını azaltabilir.
– Örnekler: Ksantan zamkı, guar zamkı ve karboksimetil selüloz. - Stabilize Edici Ajanlar:
– Polimer: Polimerler, damlacıkların etrafında kalın bir tabaka oluşturarak sterik stabilizasyon sağlayabilir.
– Örnekler: Pektin, jelatin ve bazı proteinler. - Elektrostatik Stabilizasyon:
– Ücret: Bazı emülgatörler, damlacıkların yüzeyine bir elektrik yükü vererek birbirlerini itmelerine ve böylece birleşmeyi azaltmalarına neden olur.
– Örnekler: Sodyum kazeinat ve soya lesitini. - Sıcaklık kontrolü:
– Soğutma: Sıcaklığın düşürülmesi, sürekli fazın viskozitesini artırabilir ve damlacıkların kinetik enerjisini azaltarak birleşmeyi önleyebilir.
– Faz Ayrımından Kaçınma: Sıcaklığın, bileşenlerin ayrılmasını önleyen bir aralıkta kalmasını sağlamak. - Katkı madde -leri:
– Antioksidan: Oksidasyonun önlenmesi, emülgatörün ve diğer bileşenlerin bütünlüğünün korunmasına yardımcı olabilir.
– Şelatlama Ajanları: Aksi takdirde emülsiyonu kararsızlaştırabilecek bağlayıcı metal iyonları.
Doğru emülsifikasyon tekniği uygulanarak, emülsiyonlar stabil hale getirilebilir, bu da karışımın homojen kalmasını ve zaman içinde istenen özelliklerini korumasını sağlar.
Stabilize Edici Emülgatörler
Genel olarak, emülsiyonlar, bir emülsifiye edici ajan veya yüzey aktif madde kullanılarak stabilizasyon gerektirir. Emülgatörler amfifiliktir – hem suyu hem de yağlı maddeleri çekerler. Bu, emülsiyonun hem yağ hem de su fazları ile etkileşime girmelerine izin veren hidrofilik (suyu seven) ve hidrofobik (yağı seven) özelliklere sahip oldukları anlamına gelir. Emülgatör molekülünün hidrofilik kısmı su moleküllerine bağlanırken, hidrofobik kısım yağ moleküllerine bağlanır.
Emülgatör, yağ damlacıklarını emülgatör molekülleri ile çevreleyerek, damlacıkların etrafında, birbirleriyle temas etmelerini ve daha büyük damlacıklar oluşturmak için birleşmelerini (bir araya gelmelerini) önleyen koruyucu bir tabaka oluşturur. Bu, emülsiyonun stabil kalmasına yardımcı olur ve ayrılmayı önler.
Bozulmadan sonra damlacıkların birleşmesi, nihai damlacık boyutu dağılımını etkilediğinden, ultrasonik dağıtma bölgesindeki damlacık bozulmasından hemen sonra dağılıma eşit bir seviyede nihai damlacık boyutu dağılımını korumak 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 stearoil laktilat bulunur.
Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir. laboratuvar Hedef endüstriyel boyut.