Ultrasonik Kavitasyonla Emülsifikasyon
Kozmetikler, cilt losyonları, farmasötik merhemler, vernikler, boyalar, yağlayıcılar ve yakıtlar gibi çok çeşitli ara ürünler ve tüketici ürünleri, tamamen veya kısmen emülsiyonlara dayanır.
Hielscher, üretim tesislerinde büyük hacimli akışların verimli emülsifikasyonu için dünyanın en büyük endüstriyel ultrasonik sıvı işleme cihazlarını üretir.
Ultrasonik Emülsifikasyon Nasıl Çalışır?
Laboratuvar Uygulamaları: Laboratuvar ortamlarında ultrasonun emülsifikasyon gücü, ultrasonik homojenizasyon ve emülsifikasyonun sağladığı çeşitli faydalar sayesinde uzun zamandır bilinmekte ve kullanılmaktadır.
Teknoloji
Güvenilir ultrasonik emülsifikasyon, sonotrot olarak da bilinen ultrasonik probların kullanımına dayanır. Süreç şu şekilde işler:
- Ultrasonik Enerji Aktarımı: Ultrasonik prob aracılığıyla sıvılara yüksek yoğunluklu ultrason aktarılır ve akustik kavitasyon oluşturulur.
- Kavitasyon Etkisi: Ultrasonik veya akustik kavitasyon, büyük damlacıkları nano boyutlu damlacıklara kadar parçalamak için gereken enerjiyi sağlayan yüksek kesme kuvvetleri üretir.
- Emülsiyon Oluşumu: İki veya daha fazla sıvı faz, homojen bir mikron altı emülsiyon veya nanoemülsiyon oluşturacak şekilde karıştırılır.
Akışlı İşleme Teknolojisiyle Endüstriyel Ölçeğe Büyütme: Ultrasonik akış hücrelerinin kullanılması, büyük hacimli akışların sürekli akışlı işlemeyle işlenmesini sağlayarak nanoemülsiyonların endüstriyel üretimine doğrusal ölçek büyütmeyi mümkün kılar.
UP400ST sonikatörü kullanılarak berrak bir nanoemülsiyonun ultrasonik olarak hazırlanması.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Avantajları
Prob tipi bir sonikatörle gerçekleştirilen ultrasonik emülsifikasyon, diğer emülsifikasyon tekniklerine göre çeşitli avantajlar sunar:
- Daha yüksek emülsiyon kararlılığı: Ultrasonik emülsifikasyon, daha küçük damlacık boyutları ve daha homojen bir damlacık dağılımı oluşturarak emülsiyon kararlılığını artırır ve raf ömrünü uzatır. Yüksek güçlü ultrason kullanılarak mikron altı ve nano boyutlu damlacıklar güvenilir biçimde üretilebilir.
- Enerji verimliliği: Ultrasonik emülsifikasyon, diğer emülsifikasyon yöntemlerinden daha az enerji gerektirir; bu da onu enerji açısından daha verimli bir süreç hâline getirir.
- Ölçeklenebilirlik: Ultrasonik emülsifikasyonun ölçeği, gerekli hacme bağlı olarak kolayca büyütülebilir veya küçültülebilir; bu da onu hem laboratuvar hem de endüstriyel uygulamalar için çok yönlü bir süreç hâline getirir.
- Zaman tasarrufu: Ultrasonik emülsifikasyon, sıvılara, hacme ve ekipmana bağlı olarak emülsiyonların saniyeler ile dakikalar içinde oluştuğu çok hızlı bir süreç olabilir.
- Daha az yüzey aktif madde ihtiyacı: Ultrasonik emülsifikasyon, emülsiyonları kararlı hâle getirmek için sıklıkla gerekli olan yüzey aktif maddelere duyulan ihtiyacı azaltabilir. Ancak damlacık boyutu küçüldüğünde parçacığın yüzey alanı artar ve daha fazla alanın bir yüzey aktif maddeyle kaplanması gerekir. Sonikasyon, alternatif ve yeni emülgatörler dâhil olmak üzere hemen hemen her tür yüzey aktif maddeyle uyumludur.
- Minimum ve kontrol edilebilir ısı oluşumu: Ultrasonik emülsifikasyon termal olmayan bir süreçtir ve işlem sırasında ısı oluşumu önlenebilir veya az miktarda azaltılabilir. Böylece hassas bileşiklerin veya bileşenlerin termal bozunma riski azalır.
Prob tipi bir sonikatörle gerçekleştirilen ultrasonik emülsifikasyonun avantajları, onu gıda ve içecek, ilaç, kozmetik, ince kimyasallar ve yakıtlar dâhil olmak üzere çeşitli alanlarda emülsifikasyon için mükemmel bir seçenek hâline getirir.
Ultrasonik mayonez emülsifikasyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!
Sonikasyonla parafin mumu emülsiyonlarının üretimi hakkında daha fazla bilgi edinin!
Ultrason kullanılarak üretilen dizel içinde su emülsiyonları hakkında daha fazla bilgi edinin!
DLS ölçümü, ultrasonik olarak üretilen su içinde gül yağı emülsiyonunun homojen damlacık boyutu dağılımını gösterir.
Emülsiyon Nedir?Emülsiyonlar, birbiriyle karışmayan iki veya daha fazla sıvının dispersiyonlarıdır. Çok yüksek yoğunluklu ultrason, bir sıvı fazı (dağılmış faz) ikinci bir faz (sürekli faz) içinde küçük damlacıklar hâlinde dağıtmak için gereken gücü sağlar. Dispersiyon bölgesinde içe doğru çöken kavitasyon kabarcıkları, çevreleyen sıvıda yoğun şok dalgalarına neden olur ve sıvı hızı yüksek olan sıvı jetlerinin oluşmasını sağlar.
Nanoemülsiyonlar – Sonikatörler için Güçlü Bir Uygulama
Nanoemülsiyonlar, damlacıkları tipik olarak 100 nanometreden küçük olan emülsiyonlardır. Nanoemülsiyonlar, geleneksel emülsiyonlara göre benzersiz işlevsel özellikler, daha yüksek kararlılık, şeffaflık vb. dâhil olmak üzere çeşitli avantajlar sunar.
Sonikasyon, özellikle nanoemülsiyon oluşumunda geleneksel emülsifikasyon teknolojilerinden daha üstün sonuçlar verir. Bu, ultrasonun yüksek verimli ve yoğun enerji içeren çalışma prensibinden kaynaklanır.
Aşağıdaki video, UP400S laboratuvar sonikatörü kullanılarak yağın (sarı) su (kırmızı) içinde emülsifiye edilme sürecini gösterir.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Çalışma Prensibi
Akustik Kavitasyon: Ultrasonik Emülsifikasyon ve Nanoemülsifikasyonun Arkasındaki İtici Güç
Ultrasonik emülsifikasyon, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarının bir sıvıdan geçmesiyle ortaya çıkan akustik kavitasyon olgusunun güçlü etkilerine dayanır. Bu süreçte mikroskobik kabarcıklar oluşur, büyür ve ardından şiddetle çöker. Bu kabarcıkların içe doğru çökmesi, yoğun basınç ve sıcaklık gradyanları, yüksek kesme kuvvetleri, şok dalgaları ve sıvı mikrojetleri dâhil olmak üzere yerel olarak aşırı koşullar oluşturur. Bu kuvvetler, büyük parçacıkları, damlacıkları ve aglomeraları etkili biçimde çok daha küçük yapılara parçalar.
Soldaki görsel, sıvıyla dolu bir cam kolonda çalışan UIP1000hdT ultrasonik işleme cihazının (1000 W) oluşturduğu akustik kavitasyonu gösterir.
Akustik Kavitasyon Emülsifikasyonu Nasıl İyileştirir?
Hem emülsifikasyonda hem de nanoemülsifikasyonda kavitasyon yoğunluğu, damlacık boyutunun belirlenmesinde temel bir faktördür. Kavitasyon kabarcıkları çökerken ortaya çıkan kesme kuvvetleri, büyük damlacıkları giderek daha küçük damlacıklara parçalar. Aynı zamanda yerel basınç ve sıcaklık değişimleri, emülsiyonun kararlı hâle gelmesine yardımcı olurken yeni damlacıkların oluşumunu destekler.
Damlacık parçalama ve kararlı hâle getirmenin bu birleşimi, ultrasonik teknolojinin son derece ince damlacık boyutu dağılımlarına sahip, yüksek derecede homojen emülsiyonlar üretmesini sağlar.
MD, WPI ve bunların karışımıyla, %9 yağ (w/w) içeriği ve %40 kuru madde içeren, (a) klasik homojenizasyon yöntemi ve (b) ultrasonik homojenizasyon yöntemi (UP400S kullanılarak) ile hazırlanan su–zeytinyağı emülsiyonlarının damlacık boyutu dağılımı. Ultrasonik emülsifikasyon, belirgin biçimde daha küçük damlacıklar, daha az kremalaşma ve genel olarak daha yüksek emülsiyon kararlılığı sağlar.
(çalışma ve grafikler: Zungur et al., 2015)
Verimli Emülsifikasyon için Ultrasonik Problar
Hielscher, sıvıların kesikli ve akışlı işleme modlarında verimli emülsifikasyonu ve dispersiyonu için geniş bir prob tipi sonikatör ve aksesuar yelpazesi sunar.
Her biri 16.000 watt’a kadar güce sahip birden fazla ultrasonik işleme cihazından oluşan sistemler, bu laboratuvar uygulamasını sürekli akışta veya kesikli işlemde ince dağılmış emülsiyonlar elde etmeye yönelik verimli bir üretim yöntemine dönüştürmek için gereken kapasiteyi sağlar; böylece yeni orifis valfi gibi günümüzde mevcut en iyi yüksek basınçlı homojenizatörlerle karşılaştırılabilir sonuçlar elde edilir. Sürekli emülsifikasyondaki bu yüksek verimliliğin yanı sıra Hielscher ultrasonik cihazları çok az bakım gerektirir ve kullanımları ve temizlenmeleri çok kolaydır. Ultrason, temizleme ve durulamayı gerçekten destekler. Ultrasonik güç ayarlanabilir ve belirli ürünlere ve emülsifikasyon gereksinimlerine uyarlanabilir. Gelişmiş CIP (yerinde temizleme) ve SIP (yerinde sterilizasyon) gereksinimlerini karşılayan özel akış hücresi reaktörleri de mevcuttur.
MultiSonoReactor MSR-4, yüksek işleme kapasitesine sahip (nano-)emülsifikasyon süreçlerine uygun endüstriyel bir hat içi homojenizasyon reaktörüdür.
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | Uygulanamaz | 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| Uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| Uygulanamaz | daha yüksek | Cihaz kümesi: UIP16000 |
Bize Ulaşın! / Bize Sorun!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator, Hielscher ultrasonik akış hücresi reaktörleriyle uyumlu güçlü bir aksesuardır: MPC48 ek parçası kullanılarak dağılmış faz, 48 kanül aracılığıyla ince sıvı şeritleri hâlinde ultrasonik sıcak bölgeye enjekte edilir; burada dağılmış faz ve sürekli faz, çok küçük damlacıklar hâlinde karıştırılarak bir nanoemülsiyon oluşturur.
MultiPhaseCavitator aksesuarının emülsifikasyonu nasıl iyileştirdiğini keşfedin!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.
Literatür / Kaynaklar
- 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
Bilinmesi Gereken Bilgiler
“Emülsiyon” Teriminin Tanımı
Emülsiyon, yağ ve su gibi birbiriyle karışmayan iki veya daha fazla sıvının karışımıdır.
Emülsiyonlar, su içinde yağ (yağ damlacıklarının su içinde dağıldığı) veya yağ içinde su (su damlacıklarının yağ içinde dağıldığı) türünde olabilir. Emülsiyonlar, gıda ürünleri (salata sosları ve mayonez gibi), kozmetikler (losyonlar ve kremler gibi) ve farmasötik ürünler (aşılar gibi) dâhil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır.
Bir emülgatör, bir emülsiyonda birbiriyle karışmayan iki madde (yağ ve su gibi) arasındaki yüzey gerilimini azaltarak işlev görür. Bu, iki maddenin ayrılma eğilimini azaltır ve kararlı bir karışım oluşturmalarını sağlar.
Bir Emülsiyon Nasıl Kararlı Hâle Getirilir?
Bir emülsiyon, dağılmış fazın (bir sıvının damlacıklarının) birleşmesinin ve sürekli fazdan (çevreleyen sıvıdan) ayrılmasının önlenmesiyle kararlı hâle getirilir. Emülsiyonlarda kararlılık sağlamak için birkaç temel nokta dikkate alınmalıdır:
- Emülgatörler (Yüzey Aktif Maddeler):
– Rol: Emülgatörler, hem hidrofilik (suyu çeken) hem de hidrofobik (suyu iten) uçlara sahip moleküllerdir.
– Etki: Birbiriyle karışmayan iki sıvı arasındaki yüzey gerilimini azaltır ve damlacıkların çevresinde koruyucu bir tabaka oluşturarak birleşmelerini önlerler.
– Örnekler: Lesitin, polisorbatlar ve sodyum stearoil laktilat. - Mekanik Yöntemler:
Yüksek Performanslı Karıştırma: Yüksek kesme kuvvetli karıştırıcılar veya homojenizatörler kullanılarak damlacıklar daha küçük boyutlara parçalanır; böylece yüzey alanı ve kararlılık artırılır. Prob tipi sonikatörlerin kullanımı, sonomekanik kesme kuvvetlerinden yararlanan mükemmel ve çok güvenilir bir yöntemdir. Bu ultrasonik kesme kuvvetleri, büyük damlacıkları çok küçük damlacıklara parçalar ve birbiriyle karışmayan fazları kararlı bir emülsiyon oluşturacak şekilde karıştırır. - Viskozite Düzenleyiciler:
Kıvam Artırıcılar: Sürekli fazın viskozitesini artırmak, damlacıkların hareketini yavaşlatarak birleşme olasılığını azaltabilir.
– Örnekler: Ksantan gam, guar gam ve karboksimetil selüloz. - Kararlılık Sağlayıcı Maddeler:
– Polimerler: Polimerler, damlacıkların çevresinde kalın bir tabaka oluşturarak sterik stabilizasyon sağlayabilir.
– Örnekler: Pektin, jelatin ve belirli proteinler. - Elektrostatik Stabilizasyon:
– Yük: Bazı emülgatörler, damlacıkların yüzeyine elektrik yükü kazandırarak birbirlerini itmelerini ve böylece birleşmenin azalmasını sağlar.
– Örnekler: Sodyum kazeinat ve soya lesitini. - Sıcaklık Kontrolü:
– Soğutma: Sıcaklığı düşürmek, sürekli fazın viskozitesini artırabilir ve damlacıkların kinetik enerjisini azaltabilir; böylece birleşmeyi önleyebilir.
– Faz Ayrılmasını Önleme: Sıcaklığın, bileşenlerin ayrılmasını önleyen bir aralıkta kalması sağlanır. - Katkı Maddeleri:
– Antioksidanlar: Oksidasyonun önlenmesi, emülgatörün ve diğer bileşenlerin bütünlüğünün korunmasına yardımcı olabilir.
– Şelatlayıcı Maddeler: Bağlanmadıkları takdirde emülsiyonun kararlılığını bozabilecek metal iyonları bağlanır.
Doğru emülsifikasyon tekniği uygulanarak emülsiyonlar kararlı hâle getirilebilir; böylece karışımın zaman içinde homojen kalması ve istenen özelliklerini koruması sağlanır.
Kararlılık Sağlayan Emülgatörler
Genel olarak emülsiyonların, bir emülsifiye edici madde veya yüzey aktif madde kullanılarak kararlı hâle getirilmesi gerekir. Emülgatörler amfifiliktir – hem suyu hem de yağlı maddeleri çekerler. Bu, hidrofilik (suyu seven) ve hidrofobik (yağı seven) özelliklere sahip oldukları anlamına gelir ve emülsiyonun hem yağ hem de su fazıyla etkileşime girmelerini sağlar. Emülgatör molekülünün hidrofilik kısmı su moleküllerine, hidrofobik kısmı ise yağ moleküllerine bağlanır.
Emülgatör, yağ damlacıklarını emülgatör molekülleriyle çevreleyerek damlacıkların çevresinde koruyucu bir tabaka oluşturur; bu tabaka damlacıkların birbirleriyle temas etmesini ve birleşerek daha büyük damlacıklar oluşturmasını önler. Bu, emülsiyonun kararlı kalmasına yardımcı olur ve ayrılmayı önler.
Parçalamadan sonra damlacıkların birleşmesi nihai damlacık boyutu dağılımını etkilediğinden, nihai damlacık boyutu dağılımını ultrasonik dispersiyon bölgesinde damlacıkların parçalanmasının hemen ardından elde edilen dağılımla aynı düzeyde tutmak için etkili biçimde kararlılık sağlayan emülgatörler kullanılır. Stabilizatörler, sabit enerji yoğunluğunda damlacık parçalamanın iyileşmesini gerçekten sağlar.
Yaygın olarak kullanılan emülgatör örnekleri arasında lesitin (yumurta sarısında ve soya fasulyesinde bulunur), mono- ve digliseritler, polisorbat 80 ve sodyum stearoil laktilat yer alır.
Sonikasyonla verimli biçimde oluşturulabilen miniemülsiyonlar, kimyasal reaksiyonları iyileştirir. Makroemülsiyon polimerizasyonu (a) ile miniemülsiyon polimerizasyonunun (b) karşılaştırılması [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe kadar yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.