Емульгування ультразвуковою кавітацією
Широкий асортимент проміжної продукції та товарів широкого вжитку – такі як косметичні засоби, лосьйони для шкіри, фармацевтичні мазі, лаки, фарби, мастила та паливо – повністю або частково базуються на емульсіях.
Компанія Hielscher виробляє найбільші у світі промислові ультразвукові процесори для рідин, призначені для ефективного емульгування великооб'ємних потоків на виробничих підприємствах.
Як працює ультразвукова емульгування
Лабораторне застосування: У лабораторних умовах емульгуюча здатність ультразвуку відома і використовується вже давно завдяки різноманітним перевагам, пов’язаним з ультразвуковою гомогенізацією та емульгуванням.
Технологія
Надійна ультразвукова емульгація ґрунтується на використанні ультразвукових датчиків, які також називають сонотродами. Процес відбувається наступним чином:
- Ультразвуковий контактний розчин: За допомогою ультразвукового датчика у рідину подається ультразвук високої інтенсивності, що викликає акустичну кавітацію.
- Ефект кавітації: Ультразвукова або акустична кавітація створює сильні зсувні сили, які забезпечують необхідну енергію для розбивання великих крапель на краплі нанорозміру.
- Утворення емульсії: Дві або більше рідких фаз змішуються в однорідну субмікронну або наноемульсію.
Масштабування виробництва за допомогою технології поточного перетікання: Використання ультразвукових проточних камер дає змогу лінійно масштабувати виробництво наноемульсій до промислових обсягів, обробляючи великі потоки в режимі безперервного протікання.
Ультразвукове отримання прозорої наноемульсії за допомогою ультразвукового апарата UP400ST.
Переваги ультразвукової емульгування
Ультразвукова емульгування за допомогою ультразвукового апарату зондового типу дає ряд переваг перед іншими методами емульгування:
- Покращена стабільність емульсії: Ультразвукова емульгування створює менші розміри крапель і більш рівномірний розподіл крапель, що призводить до покращення стабільності емульсії та довшого терміну зберігання. Краплі субмікронного та нанорозміру можна надійно отримати за допомогою потужного ультразвуку.
- Енергоефективність: Ультразвукова емульгування вимагає менше енергії, ніж інші методи емульгування, що робить її більш енергоефективним процесом.
- Масштабованість: Ультразвукова емульгація може бути легко збільшена або зменшена в залежності від необхідного обсягу, що робить її універсальним процесом як для лабораторних, так і для промислових застосувань.
- Економія часу: Ультразвукова емульгування може бути дуже швидким процесом, емульсії утворюються за секунди до хвилин, залежно від рідин, об'єму та обладнання.
- Знижена потреба в поверхнево-активних речовинах: Ультразвукова емульгування дозволяє зменшити потребу в поверхнево-активних речовинах, які часто потрібні для стабілізації емульсій. Однак при зменшеному розмірі крапель площа поверхні частинки збільшується і більша площа повинна бути покрита поверхнево-активною речовиною. Ультразвук сумісний практично з будь-якими видами поверхнево-активних речовин, включаючи альтернативні та нові емульгатори.
- Мінімальне та контрольоване виділення тепла: Ультразвукова емульгування є нетермічним процесом, і виділення тепла під час обробки можна уникнути або зменшити до незначної міри. Таким чином, знижується ризик термічної деградації чутливих сполук або інгредієнтів.
Переваги ультразвукової емульгування з використанням ультразвукового апарату зондового типу роблять його чудовим вибором для емульгування в різних галузях, включаючи продукти харчування та напої, фармацевтику, косметику, тонку хімію та паливо.
Дізнайтеся більше про ультразвукову емульгування майонезу!
Детальніше про виробництво парафінових воскових емульсій за допомогою ультразвуку!
Дізнайтеся більше про емульсії Water-in-Diesel, виготовлені за допомогою ультразвуку!
Результати вимірювання методом DLS демонструють рівномірний розподіл крапель за розміром в ультразвуковій емульсії «олія троянди у воді».
Що таке емульсія?Емульсії являють собою дисперсії двох і більше рідин, що не змішуються. Високоінтенсивний ультразвук забезпечує потужність, необхідну для розсіювання рідкої фази (дисперсна фаза) дрібними краплями в другій фазі (безперервна фаза). У зоні дисперсії вибухають кавітаційні бульбашки викликають інтенсивні ударні хвилі в навколишній рідині і призводять до утворення струменів рідини з великою швидкістю рідини.
нано-емульсії – Застосування ультразвукових приладів у енергетиці
Наноемульсії — це емульсії з краплями, які зазвичай мають розмір менше 100 нанометрів. Наноемульсії мають ряд переваг перед звичайними емульсіями, включаючи унікальні функціональні властивості, більш високу стабільність, прозорість і т.д.
Ультразвук перевершує традиційні технології емульгування, особливо коли мова йде про утворення наноемульсій. Це пов'язано з високоефективним і енергоємним принципом роботи ультразвуку.
У відео нижче показаний процес емульгування олії (жовтого) у воду (червоний) за допомогою лабораторного ультразвукового апарату UP400S.
Принцип роботи ультразвукової емульгування
Акустична кавітація: рушійна сила ультразвукової емульгації та наноемульгації
Ультразвукова емульгація ґрунтується на потужному ефекті акустичної кавітації — явищі, що виникає під час проходження ультразвукових хвиль високої інтенсивності крізь рідину. Під час цього процесу утворюються мікроскопічні бульбашки, які зростають, а потім бурхливо руйнуються. Імплозивний розрив цих бульбашок створює екстремальні локальні умови, включаючи інтенсивні градієнти тиску та температури, високі зсувні сили, ударні хвилі та мікрострумені рідини. Ці сили ефективно розбивають великі частинки, краплі та агломерати на набагато менші структури.
На зображенні ліворуч показано акустичну кавітацію, що утворюється під дією ультразвукового процесора UIP1000hdT (1000 Вт), який працює у заповненій рідиною скляній колонці.
Як акустична кавітація покращує процес емульгування
Як при емульгуванні, так і при наноемульгуванні інтенсивність кавітації є ключовим фактором, що визначає розмір крапель. Коли кавітаційні бульбашки руйнуються, виникаючі зсувні сили розбивають більші краплі на дедалі дрібніші. Водночас локальні зміни тиску та температури сприяють утворенню нових крапель, одночасно допомагаючи стабілізувати емульсію.
Завдяки поєднанню розбивання та стабілізації крапель ультразвукова технологія дозволяє отримувати надзвичайно однорідні емульсії з винятково дрібним розмірним складом крапель.
Розподіл крапель за розміром у водно-оливкових емульсіях, отриманих (а) класичним методом гомогенізації та (б) методом ультразвукової гомогенізації (за допомогою приладу UP400S) з використанням МД, WPI та їхньої суміші, що містять 40 % сухої речовини та 9 % олії (маса/маса). Ультразвукова емульгування забезпечує утворення значно дрібніших крапель, зменшує утворення вершків та забезпечує кращу загальну стабільність емульсії.
(дослідження та графіки: Zungur et al., 2015)
Ультразвукові зонди для ефективної емульгування
Hielscher пропонує широкий асортимент ультразвукових приладів зондового типу та аксесуарів для ефективної емульгування та диспергування рідин у періодичному та проточному режимі.
Системи, що складаються з декількох ультразвукових процесорів потужністю до 16 000 Вт кожен, забезпечують потужність, необхідну для перетворення цього лабораторного застосування в ефективний метод виробництва для отримання дрібнодисперсних емульсій в безперервному потоці або в партії – досягнення результатів, порівнянних з результатами найкращих на сьогоднішній день гомогенізаторів високого тиску, таких як новий діафрагмовий клапан. На додаток до цієї високої ефективності при безперервному емульгуванні, ультразвукові прилади Hielscher вимагають дуже низького обслуговування і дуже прості в експлуатації та чищенні. Ультразвук дійсно підтримує очищення та полоскання. Потужність ультразвуку регулюється і може бути адаптована до конкретних продуктів і вимог до емульгування. Також доступні реактори зі спеціальними проточними комірками, що відповідають передовим вимогам CIP (чистота на місці) та SIP (стерилізація на місці).
MultiSonoReactor MSR-4 - це промисловий вбудований реактор гомогенізації, придатний для процесів (нано)емульгування з високою пропускною здатністю.
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0від .5 до 1.5 мл | Н.А. | VialTweeter | Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Від 15 до 150 л | Від 3 до 15 л/хв | UIP6000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Багатофазний кавітатор (MPC48)
MultiPhaseCavitator — це потужний пристрій, сумісний з ультразвуковими реакторами з проточним осередком компанії Hielscher: за допомогою вставки MPC48 дисперсна фаза вводиться через 48 канюль у вигляді тонких струменів рідини в ультразвукову зону дії, де дисперсна та континуальна фази змішуються у вигляді дрібних крапель, утворюючи наноемульсію.
Дізнайтеся, як MultiPhaseCavitator покращує процес емульгування!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Література / Список літератури
- 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
Факти, які варто знати
Визначення терміна “Емульсія”
Емульсія - це суміш двох або більше рідин, що не змішуються, таких як масло і вода.
Емульсії можуть бути як «масло у воді» (де краплі олії диспергуються у воді), так і «вода в олії» (де краплі води диспергуються в олії). Емульсії використовуються в різних сферах застосування, включаючи харчові продукти (такі як заправки для салатів і майонез), косметику (наприклад, лосьйони та креми) і фармацевтичні препарати (наприклад, вакцини).
Емульгатор працює шляхом зменшення поверхневого натягу між двома речовинами, що не змішуються (такими як масло та вода) в емульсії. Це знижує схильність двох речовин до роз'єднання і дозволяє їм утворювати стабільну суміш.
Як емульсія стає стабільною?
Емульсія робиться стабільною за рахунок запобігання злиття дисперсної фази (крапель однієї рідини) і відділення від безперервної фази (навколишньої рідини). Для досягнення стабільності емульсій необхідно враховувати кілька ключових моментів:
- Емульгатори (поверхнево-активні речовини):
– Роль: Емульгатори - це молекули, які мають як гідрофільні (притягують воду), так і гідрофобні (водовідштовхувальні) кінці.
– Дія: Вони зменшують поверхневий натяг між двома рідинами, що не змішуються, і утворюють захисний шар навколо крапель, запобігаючи їх злиттю.
– Приклади: Лецитин, полісорбати та стеароїллактилат натрію. - Механічні способи:
Високоефективне змішування: Використання змішувачів з високим зсувом або гомогенізаторів для розбиття крапель на менші розміри, збільшуючи площу поверхні та підвищуючи стабільність. Ультразвукові апарати зондового типу є відмінним і дуже надійним методом з використанням сономеханічних сил зсуву. Ці ультразвукові зсувні сили розбивають великі краплі на найдрібніші краплі і змішують фази, що не змішуються, в стабільну емульсію. - Модифікатори в'язкості:
Загусники: Підвищення в'язкості безперервної фази може уповільнити рух крапель, знижуючи ймовірність злиття.
– Приклади: Ксантанова камедь, гуарова камедь і карбоксиметилцелюлоза. - Стабілізуючі речовини:
– Полімери: Полімери можуть забезпечити стеричну стабілізацію за рахунок формування товстого шару навколо крапель.
– Приклади: Пектин, желатин і деякі білки. - Електростатична стабілізація:
– Зарядка: Деякі емульгатори надають електричний заряд поверхні крапель, змушуючи їх відштовхуватися один від одного і тим самим зменшуючи коалесценцію.
– Приклади: Казеїнат натрію і соєвий лецитин. - Контроль температури:
– Охолодження: Зниження температури може збільшити в'язкість безперервної фази і зменшити кінетичну енергію крапель, перешкоджаючи злиттю.
– Уникнення поділу фаз: Забезпечення того, щоб температура залишалася в межах діапазону, який запобігає роз'єднанню компонентів. - Добавки:
– Антиоксиданти: Запобігання окисленню може допомогти зберегти цілісність емульгатора та інших компонентів.
– Хелатні агенти: Зв'язування іонів металів, які в іншому випадку могли б дестабілізувати емульсію.
Застосовуючи правильну техніку емульгування, емульсії можна зробити стабільними, гарантуючи, що суміш залишається однорідною і зберігає бажані властивості протягом тривалого часу.
Стабілізуючі емульгатори
В цілому емульсії вимагають стабілізації за допомогою емульгуючого агента або поверхнево-активної речовини. Емульгатори амфіфільні – вони притягують як воду, так і жирові речовини. Це означає, що вони мають гідрофільні (водолюбні) та гідрофобні (маслолюбні) властивості, що дозволяє їм взаємодіяти як з олійною, так і з водною фазами емульсії. Гідрофільна частина молекули емульгатора прикріплюється до молекул води, а гідрофобна – до молекул олії.
Оточуючи краплі олії молекулами емульгатора, емульгатор створює захисний шар навколо крапель, який запобігає їх контакту один з одним і злиття (з'єднанню разом) з утворенням більших крапель. Це допомагає підтримувати стабільність емульсії та запобігає розшаруванню.
Оскільки злиття крапель після руйнування впливає на кінцевий розподіл розміру крапель, для підтримки кінцевого розподілу розміру крапель на рівні, що дорівнює розподілу відразу після розриву крапель в зоні ультразвукового диспергування, використовуються ефективні стабілізуючі емульгатори. Стабілізатори фактично призводять до кращого руйнування крапель при постійній щільності енергії.
Приклади часто використовуваних емульгаторів включають лецитин (який міститься в яєчних жовтках і соєвих бобах), моно- та дигліцериди, полісорбат 80 і стеароїллактилат натрію.
Мініемульсії, які можна ефективно створювати за допомогою ультразвуку, підсилюють хімічні реакції. Макроемульсійна полімеризація (a) проти мініемульсійної полімеризації (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.