Ultrasonik Kavitasyon ile Emülsifiye Etme
Geniş bir yelpazede orta kademe ve tüketici ürünleri – kozmetik ürünleri, cilt losyonları, tıbbi merhemler, vernikler, boyalar, yağlayıcılar ve yakıtlar gibi – tamamen veya kısmen emülsiyonlara dayanmaktadır.
Hielscher, üretim tesislerinde büyük hacimli akışların verimli bir şekilde emülsifiye edilmesi için dünyanın en büyük endüstriyel ultrasonik sıvı işleme cihazlarını üretmektedir.
Ultrasonik Emülsifikasyon Nasıl Çalışır?
Laboratuvar Uygulamaları: Laboratuvar ortamlarında, ultrasonik homojenizasyon ve emülsifikasyonun sağladığı çeşitli faydalar nedeniyle, ultrasonun emülsifikasyon gücü uzun zamandır bilinmekte ve kullanılmaktadır.
Teknoloji
Güvenilir ultrasonik emülsifikasyon, sonotrod olarak da bilinen ultrasonik probların kullanımına dayanır. Süreç şu şekilde işler:
- Ultrason Bağlantısı: Ultrasonik prob aracılığıyla sıvılara yüksek yoğunluklu ultrason dalgaları iletilir ve bu sayede akustik kavitasyon oluşur.
- Kavitasyon Etkisi: Ultrasonik veya akustik kavitasyon, büyük damlacıkları nano boyutlu damlacıklara parçalamak için gereken enerjiyi sağlayan yüksek kesme kuvvetleri oluşturur.
- Emülsiyon Oluşumu: İki veya daha fazla sıvı faz, homojen bir submikron veya nano emülsiyon haline getirilir.
Akışkan Geçiş Teknolojisiyle Endüstriyel Ölçeklendirme: Ultrasonik akış hücrelerinin kullanılması, nanoemülsiyonların endüstriyel üretime doğruca doğrusal bir şekilde ölçeklendirilmesini ve büyük hacimli akışların sürekli akış sisteminde işlenmesini mümkün kılar.
UP400ST ultrasonik cihaz kullanılarak berrak bir nanoemülsiyonun ultrasonik yolla hazırlanması.
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!
DLS ölçümü, ultrasonik yöntemle üretilen bir gül yağı-su emülsiyonunun homojen damlacık boyut dağılımını 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.
Learn about ultrasonication for better emulsions.
nano emülsiyonlar – Sonicatorlar için 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.
Aşağıdaki video, UP400S laboratuvar ultrasonicator kullanarak yağın (sarı) suya (kırmızı) emülsifikasyon işlemini göstermektedir.
Ultrasonik Emülsifikasyonun Çalışma Prensibi
Akustik Kavitasyon: Ultrasonik Emülsifikasyon ve Nano-Emülsifikasyonun Arkasındaki İtici Güç
Ultrasonik emülsifikasyon, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarının bir sıvıdan geçmesi sonucu ortaya çıkan bir fenomen olan akustik kavitasyonun güçlü etkilerine dayanır. Bu süreçte mikroskobik kabarcıklar oluşur, büyür ve ardından şiddetli bir şekilde çöker. Bu kabarcıkların içe doğru çökmesi, yoğun basınç ve sıcaklık gradyanları, yüksek kesme kuvvetleri, şok dalgaları ve sıvı mikro püskürmeleri dahil olmak üzere aşırı yerel koşullar oluşturur. Bu kuvvetler, büyük parçacıkları, damlacıkları ve aglomeratları çok daha küçük yapılara etkili bir şekilde parçalar.
Soldaki resim, sıvı dolu bir cam kolon içinde çalışan UIP1000hdT ultrasonik işlemci (1000 W) tarafından oluşturulan akustik kavitasyonu göstermektedir.
Akustik Kavitasyon Emülsifikasyonu Nasıl İyileştirir?
Hem emülsifikasyon hem de nano-emülsifikasyonda, kavitasyon yoğunluğu damlacık boyutunu belirleyen temel bir faktördür. Kavitasyon kabarcıkları çöktükçe, ortaya çıkan kesme kuvvetleri daha büyük damlacıkları giderek daha küçük parçalara ayırır. Aynı zamanda, bölgesel basınç ve sıcaklık değişiklikleri yeni damlacıkların oluşumunu desteklerken emülsiyonun stabilitesini sağlamaya da yardımcı olur.
Damlacıkların parçalanması ve stabilizasyonunun bu birleşimi, ultrasonik teknolojinin son derece ince damlacık boyut dağılımlarına sahip, son derece homojen emülsiyonlar üretmesini sağlar.
(a) klasik homojenizasyon yöntemi ve (b) ultrasonik homojenizasyon (UP400S kullanılarak) yöntemiyle hazırlanan, @ kuru madde ve %9 yağ (a/a) içeriğine sahip MD, WPI ve bunların karışımından oluşan su-zeytinyağı emülsiyonlarının damlacık boyutu dağılımı. Ultrasonik emülsifikasyon, önemli ölçüde daha küçük damlacıklar, daha az krema oluşumu ve genel olarak daha iyi bir emülsiyon stabilitesi sağlar.
(çalışma ve grafikler: Züngur ve ark., 2015)
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!
Çok Fazlı Kavitatör (MPC48)
MultiPhaseCavitator, Hielscher ultrasonik akış hücresi reaktörleriyle uyumlu güçlü bir aksesuardır: MPC48 ek parçası kullanılarak, dağınık faz 48 kanül aracılığıyla ince sıvı şeritler halinde ultrasonik sıcak bölgeye enjekte edilir; burada dağınık faz ve sürekli faz, minik damlacıklar halinde karıştırılarak bir nanoemülsiyon oluşturur.
MultiPhaseCavitator'ın emülsifikasyonu nasıl iyileştirdiğini keşfedin!
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.
- The Advantages of Ultrasonic Emulsification – Hielscher Ultrasonics
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, böylece karışımın homojen kalması ve zaman içinde istenen özelliklerini koruması sağlanır.
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.
Ultrasonication ile verimli bir şekilde oluşturulabilen miniemülsiyonlar, kimyasal reaksiyonları geliştirir. Makroemülsiyon polimerizasyonu (a) ve miniemülsiyon polimerizasyonu (b) [Schork ve ark. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir. laboratuvar Hedef endüstriyel boyut.