Емульгування за допомогою ультразвукової кавітації
Широкий спектр проміжних і споживчих продуктів – таких як косметика, лосьйони для шкіри, фармацевтичні мазі, лаки, фарби, мастила та паливо – повністю або частково базуються на емульсіях.
Hielscher виробляє найбільші у світі промислові ультразвукові рідкі процесори для ефективного емульгування великооб’ємних потоків на виробничих підприємствах.
Як працює ультразвукове емульгування
Лабораторні застосування: У лабораторних умовах емульгуюча потужність ультразвуку відома та застосовується вже давно завдяки різноманітним перевагам, пов’язаним з ультразвуковою гомогенізацією та емульгуванням.
Технологія
Надійне ультразвукове емульгування базується на використанні ультразвукових зондів, також відомих як сонотроди. Процес працює наступним чином:
- Зв’язок ультразвуку: Через ультразвуковий зонд високоефективний ультразвук вводиться в рідини, створюючи акустичну кавітацію.
- Ефект кавітації: Ультразвукова або акустична кавітація генерує високі зсувні сили, які забезпечують необхідну енергію для руйнування великих крапель до нанорозмірних крапель.
- Формування емульсії: Дві або більше рідких фаз змішуються в однорідну субмікронну або наноемульсію.
Промислове масштабування за допомогою проточної технології: Використання ультразвукових проточних комірок дозволяє лінійно масштабувати виробництво наноемульсій до промислових обсягів, обробляючи великооб’ємні потоки в безперервному проточному режимі.
Приготування прозорої наноемульсії за допомогою ультразвукового гомогенізатора UP400ST.
Переваги ультразвукового емульгування
Ультразвукове емульгування з використанням зондового ультразвукового гомогенізатора пропонує кілька переваг порівняно з іншими техніками емульгування:
- Покращена стабільність емульсії: Ультразвукове емульгування створює менші розміри крапель та більш однорідний розподіл крапель, що призводить до покращеної стабільності емульсії та довшого терміну придатності. Субмікронні та нанорозмірні краплі можна надійно отримувати за допомогою потужного ультразвуку.
- Енергоефективність: Ультразвукове емульгування вимагає менше енергії, ніж інші методи емульгування, що робить його більш енергоефективним процесом.
- Масштабованість: Ультразвукове емульгування можна легко масштабувати вгору або вниз залежно від необхідного об’єму, що робить його універсальним процесом як для лабораторних, так і для промислових застосувань.
- Економія часу: Ультразвукове емульгування може бути дуже швидким процесом, причому емульсії утворюються за секунди або хвилини, залежно від рідин, об’єму та обладнання.
- Зменшена потреба в поверхнево-активних речовинах: Ультразвукове емульгування може зменшити потребу в поверхнево-активних речовинах, які часто необхідні для стабілізації емульсій. Однак зі зменшенням розміру крапель збільшується поверхня частинок, і більшу площу потрібно покрити поверхнево-активною речовиною. Ультразвукова обробка сумісна з майже будь-яким типом поверхнево-активних речовин, включаючи альтернативні та нові емульгатори.
- Мінімальне та контрольоване тепловиділення: Ультразвукове емульгування є нетепловим процесом, і тепловиділення під час обробки можна уникнути або зменшити до незначного ступеня. Таким чином, ризик термічної деградації чутливих сполук або інгредієнтів зменшується.
Переваги ультразвукового емульгування з використанням зондового ультразвукового гомогенізатора роблять його чудовим вибором для емульгування в різноманітних галузях, включаючи харчову та напоєву промисловість, фармацевтику, косметику, дрібну хімію та паливо.
Дізнайтеся більше про ультразвукове емульгування майонезу!
Дізнайтеся більше про виробництво емульсій парафінового воску за допомогою ультразвукової обробки!
Дізнайтеся більше про емульсії «вода в дизелі», вироблені за допомогою ультразвуку!
Вимірювання DLS показує однорідний розподіл розміру крапель емульсії рожевої олії у воді, виробленої за допомогою ультразвуку.
Що таке емульсія?Емульсії – це дисперсії двох або більше незмішуваних рідин. Високоінтенсивний ультразвук забезпечує потужність, необхідну для диспергування однієї рідкої фази (дисперсної фази) у вигляді малих крапель у другій фазі (суцільній фазі). У зоні диспергування імплодуючі кавітаційні бульбашки спричиняють інтенсивні ударні хвилі в навколишній рідині та призводять до утворення рідинних струменів з високою швидкістю рідини.
Нано-емульсії – потужний застосунок для сонікаторів
Наноемульсії – це емульсії з краплями, розмір яких зазвичай менший за 100 нанометрів. Наноемульсії мають кілька переваг порівняно зі звичайними емульсіями, зокрема унікальні функціональні властивості, вищу стабільність, прозорість тощо.
Ультразвукова обробка перевищує традиційні технології емульгування, особливо коли йдеться про утворення наноемульсій. Це пов’язано з надзвичайно ефективним та енергоємним принципом роботи ультразвуку.
На відео нижче показано процес емульгування олії (жовтий) у воді (червоний) за допомогою лабораторного сонікатора UP400S.
Принцип дії ультразвукового емульгування
Акустична кавітація: рушійна сила ультразвукового емульгування та нано-емульгування
Ультразвукове емульгування базується на потужних ефектах акустичної кавітації – явищі, яке виникає, коли хвилі ультразвуку високої інтенсивності проходять через рідину. Під час цього процесу утворюються, зростають і потім різко руйнуються мікроскопічні бульбашки. Імплозійне руйнування цих бульбашок створює екстремальні локальні умови, включаючи інтенсивні градієнти тиску та температури, високі зсувні сили, ударні хвилі та мікрострумені рідини. Ці сили ефективно руйнують великі частинки, краплі та агломерати на значно менші структури.
Зображення ліворуч ілюструє акустичну кавітацію, створену ультразвуковим процесором UIP1000hdT (1000 W), що працює у скляній колонці, заповненій рідиною.
Як акустична кавітація покращує емульгування
Як при емульгуванні, так і при нано-емульгуванні інтенсивність кавітації є ключовим фактором, що визначає розмір крапель. Коли кавітаційні бульбашки руйнуються, виникаючі зсувні сили розбивають більші краплі на дедалі менші. Водночас локальні зміни тиску та температури сприяють утворенню нових крапель, допомагаючи стабілізувати емульсію.
Ця комбінація руйнування та стабілізації крапель дозволяє ультразвуковій технології виробляти надзвичайно однорідні емульсії з винятково дрібним розподілом розмірів крапель.
Розподіл розмірів крапель у емульсіях вода-оливкова олія, приготованих за допомогою (a) класичного методу гомогенізації та (b) методу ультразвукової гомогенізації (з використанням UP400S) з MD, WPI та їх сумішшю, що мають 40% сухої речовини та 9% вмісту олії (w/w). Ультразвукове емульгування призводить до значно менших крапель, меншого кремування та кращої загальної стабільності емульсії.
(дослідження та графіки: Zungur et al., 2015)
Ультразвукові зонди для ефективного емульгування
Hielscher пропонує широкий спектр сонікаторів зондового типу та аксесуарів для ефективного емульгування та диспергування рідин у режимі партійної обробки та проточному режимі.
Системи, що складаються з кількох ультразвукових процесорів потужністю до 16 000 watts кожен, забезпечують місткість, необхідну для перетворення цієї лабораторної застосування на ефективний виробничий метод для отримання тонкодиспергованих емульсій у безперервному потоці або в партії – досягаючи результатів, порівнянних із найкращими доступними сьогодні гомогенізаторами високого тиску, такими як новий клапан із каліброваним отвором. Крім цієї високої ефективності в безперервному емульгуванні, ультразвукові пристрої Hielscher потребують дуже низького рівня обслуговування та є дуже простими в експлуатації та очищенні. Ультразвук фактично сприяє очищенню та промиванню. Потужність ультразвуку є регульованою і може бути адаптована до конкретних продуктів та вимог емульгування. Також доступні спеціальні проточні реактори, що відповідають передовим вимогам CIP (очищення на місці) та SIP (стерилізація на місці).
MultiSonoReactor MSR-4 – це промисловий інлайн-реактор для гомогенізації, придатний для процесів (нано-)емульгування з високою пропускною здатністю.
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0,5 to 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 to 150L | 3 to 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | larger | кластер із UIP16000 |
Contact Us! / Ask Us!
MultiPhaseCavitator (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.
Literature / References
- 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
Facts Worth Knowing
Definition of the Term “Emulsion”
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.
How is an Emulsion made Stable?
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:
- Emulsifiers (Surfactants):
– Роль: Емульгатори – це молекули, які мають як гідрофільні (притягують воду), так і гідрофобні (відштовхують воду) кінці.
– Дія: Вони зменшують поверхневий натяг між двома незмішуваними рідинами та утворюють захисний шар навколо крапель, запобігаючи їхній коалесценції.
– Приклади: Лецитин, полісорбати та стеароїллактилат натрію. - Mechanical Methods:
Високопродуктивне змішування: Використання високосдвигових змішувачів або гомогенізаторів для подрібнення крапель до менших розмірів, збільшення площі поверхні та підвищення стабільності. Зондові сонікатори є чудовим і дуже надійним методом, що використовує сономеханічні зсувні сили. Ці ультразвукові зсувні сили розбивають великі краплі на дрібні та змішують незмішувані фази в стабільну емульсію. - Viscosity Modifiers:
Загущувачі: Збільшення в’язкості суцільної фази може уповільнити рух крапель, зменшуючи ймовірність коалесценції.
– Приклади: Ксантанова камедь, гуарова камедь і карбоксиметилцелюлоза. - Stabilizing Agents:
– Полімери: Полімери можуть забезпечувати стеричну стабілізацію, утворюючи товстий шар навколо крапель.
– Приклади: Пектин, желатин та певні білки. - Electrostatic Stabilization:
– Заряд: Деякі емульгатори надають поверхні крапель електричний заряд, змушуючи їх відштовхуватися одна від одної, і таким чином зменшуючи коалесценцію.
– Приклади: Sodium caseinate and soy lecithin. - Temperature Control:
– Охолодження: Зниження температури може збільшити в’язкість суцільної фази та зменшити кінетичну енергію крапель, запобігаючи коалесценції.
– Уникнення фазового розшарування: Забезпечення того, щоб температура залишалася в межах діапазону, який запобігає розшаруванню компонентів. - Additives:
– Антиоксиданти: Запобігання окисненню може допомогти підтримати цілісність емульгатора та інших компонентів.
– Хелатуючі агенти: Зв’язування іонів металів, які в іншому випадку можуть дестабілізувати емульсію.
Застосовуючи правильну техніку емульгування, емульсії можна зробити стабільними, гарантуючи, що суміш залишається однорідною і зберігає бажані властивості протягом тривалого часу.
Stabilizing Emulsifiers
Загалом емульсії потребують стабілізації за допомогою емульгатора або поверхнево-активної речовини. Емульгатори є амфіфільними – вони притягують як воду, так і жирні речовини. Це означає, що вони мають гідрофільні (любов до води) та гідрофобні (любов до олії) властивості, що дозволяє їм взаємодіяти як з олією, так і з водною фазами емульсії. Гідрофільна частина молекули емульгатора прикріплюється до молекул води, тоді як гідрофобна частина прикріплюється до молекул олії.
Оточуючи краплі олії молекулами емульгатора, емульгатор створює захисний шар навколо крапель, який запобігає їхньому контакту одна з одною та коалесценції (об’єднанню) для утворення більших крапель. Це допомагає підтримувати стабільність емульсії та запобігає розшаруванню.
Оскільки коалесценція крапель після руйнування впливає на кінцевий розподіл розмірів крапель, ефективно стабілізуючі емульгатори використовуються для підтримання кінцевого розподілу розмірів крапель на рівні, що дорівнює розподілу безпосередньо після руйнування крапель у зоні ультразвукового диспергування. Стабілізатори фактично призводять до покращеного руйнування крапель за постійної щільності енергії.
Приклади часто використовуваних емульгаторів включають лецитин (який міститься в жовтках яєць та соєвих бобах), моно- та дигліцериди, полісорбат 80 та стеароїл лактилат натрію.
Мініемульсії, які можна ефективно створити за допомогою ультразвукової обробки, посилюють хімічні реакції. Полімеризація макроемульсії (a) проти полімеризації мініемульсії (b) [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.