Ultrasonik kavitatsiya orqali emulsiyalash
Kosmetika va teri losonlari, farmatsevtik malhamlar, laklar, bo'yoqlar va moylash materiallari va yoqilg'i kabi oraliq va iste'mol qilinadigan mahsulotlarning keng assortimenti to'liq yoki qisman emulsiyalarga asoslangan. Hielscher ishlab chiqarish korxonalarida katta hajmli oqimlarni samarali emulsifikatsiya qilish uchun dunyodagi eng yirik sanoat ultratovushli suyuqlik protsessorlarini ishlab chiqaradi.
Ultrasonik emulsifikatsiya
Laboratoriyada ultratovushning emulsifikatsiya kuchi ultratovushli gomogenizatsiya va emulsifikatsiya bilan bog'liq bo'lgan turli xil afzalliklar tufayli uzoq vaqtdan beri ma'lum va qo'llaniladi. Ishonchli ultratovush emulsifikatsiyasi ultratovushli problardan foydalanishga asoslangan, ya'ni sonotrodlar deb ataladi. Ultrasonik zond orqali yuqori intensivlikdagi ultratovush suyuqliklarga birlashtiriladi va akustik kavitatsiya hosil qiladi. Ultrasonik yoki akustik kavitatsiya yuqori kesish kuchlarini hosil qiladi, bu esa katta tomchilarni nano o'lchamdagi tomchilargacha buzish uchun zarur energiyani ta'minlaydi. Shunday qilib, ikki yoki undan ortiq suyuqlik fazalari bir xil submikron yoki nano-emulsiyaga aralashtiriladi.
Ultrasonik oqim xujayralaridan foydalanish uzluksiz oqimda katta hajmli oqimlarni qayta ishlaydigan nanoemulsiyalarni sanoat ishlab chiqarishgacha chiziqli miqyosda oshirish imkonini beradi.
Ko'p fazali Kavitator: Noyob Hielscher oqim hujayra qo'shimchasi MPC48 Hielscher ultratovushli oqim hujayra reaktorlari bilan mos keladigan kuchli aksessuardir. MPC48 qo'shimchasidan foydalanib, dispers faza 48 kanül orqali ultratovushli issiq zonaga nozik suyuqlik iplari sifatida AOK qilinadi, bu erda dispers faza va uzluksiz faza nanoemulsiyaga daqiqali tomchilar shaklida aralashtiriladi. MPC48 ultratovushli oqim xujayrasi qo'shimchasi haqida ko'proq o'qing!
Ultrasonikatorlar submikron va nano o'lchamdagi emulsiyalarni ishlab chiqarishda ishonchli va samarali.
Ultrasonik emulsifikatsiyaning afzalliklari
Prob tipidagi ultrasonikator yordamida ultratovushli emulsifikatsiya boshqa emulsiyalash usullariga nisbatan bir qator afzalliklarga ega:
- Emulsiya barqarorligi yaxshilandi: Ultrasonik emulsifikatsiya tomchilarning kichikroq o'lchamlarini va tomchilarning bir xil taqsimlanishini yaratadi, natijada emulsiya barqarorligi yaxshilanadi va saqlash muddati uzoqroq bo'ladi. Submikron va nano o'lchamdagi tomchilar kuchli ultratovush yordamida ishonchli tarzda ishlab chiqarilishi mumkin.
- Energiya samaradorligi: Ultrasonik emulsifikatsiya boshqa emulsifikatsiya usullariga qaraganda kamroq energiya talab qiladi, bu esa uni energiyani tejaydigan jarayonga aylantiradi.
- Masshtablilik: Ultrasonik emulsifikatsiyani kerakli hajmga qarab osongina kattalashtirish yoki kamaytirish mumkin, bu uni laboratoriya va sanoat ilovalari uchun ko'p qirrali jarayonga aylantiradi.
- Vaqtni tejash: Ultrasonik emulsifikatsiya juda tez jarayon bo'lishi mumkin, emulsiyalar suyuqliklar, hajm va jihozlarga qarab soniyalar va daqiqalar ichida hosil bo'ladi.
- Sirt faol moddalarga bo'lgan ehtiyoj: Ultrasonik emulsifikatsiya ko'pincha emulsiyalarni barqarorlashtirish uchun zarur bo'lgan sirt faol moddalarga bo'lgan ehtiyojni kamaytirishi mumkin. Biroq, tomchilar hajmining kamayishi bilan zarrachaning sirt maydoni ortadi va ko'proq maydon sirt faol moddasi bilan qoplanishi kerak. Ultrasonikatsiya deyarli har qanday sirt faol moddalar bilan mos keladi, shu jumladan muqobil va yangi emulsifikatorlar.
- Minimal va boshqariladigan issiqlik ishlab chiqarish: Ultrasonik emulsifikatsiya - bu termal bo'lmagan jarayon va ishlov berish jarayonida issiqlik hosil bo'lishining oldini olish yoki kichik darajada kamaytirish mumkin. Shunday qilib, sezgir birikmalar yoki ingredientlarning termal degradatsiyasi xavfi kamayadi.
Prob tipidagi ultrasonikator yordamida ultratovushli emulsifikatsiyaning afzalliklari uni oziq-ovqat va ichimliklar, farmatsevtika, kosmetika, nozik kimyoviy moddalar va yoqilg'i kabi turli sohalarda emulsifikatsiya qilish uchun ajoyib tanlovdir.
Ultrasonik mayonez emulsifikatsiyasi haqida ko'proq o'qing!
Sonikatsiya yordamida kerosin mumi emulsiyalarini ishlab chiqarish haqida ko'proq o'qing!
Ultratovush yordamida ishlab chiqarilgan dizeldagi suv emulsiyalari haqida ko'proq o'qing!
Suvdagi moy (O/W) emulsiyasini ultratovush yordamida tayyorlash (qizil suv / sariq moy). Bir necha soniya sonikatsiya alohida suv / yog 'fazalarini nozik emulsiyaga aylantiradi.
Quyidagi videoda UP400S laboratoriya ultratovush apparati yordamida moyni (sariq) suvga (qizil) emulsifikatsiya qilish jarayoni ko'rsatilgan.
Emulsiya nima?Emulsiyalar ikki yoki undan ortiq aralashmaydigan suyuqliklarning dispersiyasidir. Yuqori intensiv ultratovush suyuq fazani (tarqalgan faza) ikkinchi bosqichda (uzluksiz faza) kichik tomchilarda tarqatish uchun zarur bo'lgan quvvatni ta'minlaydi. Tarqalish zonasida portlovchi kavitatsiya pufakchalari atrofdagi suyuqlikda intensiv zarba to'lqinlarini keltirib chiqaradi va natijada yuqori suyuqlik tezligidagi suyuqlik oqimlari paydo bo'ladi.
Ultrasonikatsiya yordamida samarali yaratilishi mumkin bo'lgan miniemulsiyalar kimyoviy reaktsiyalarni kuchaytiradi. Makroemulsiya polimerizatsiyasi (a) miniemulsiya polimerizatsiyasiga qarshi (b) [Schork va boshq. 2005: 136]
nano-emulsiyalar – Ultrasonikatorlar uchun quvvat ilovasi
Nanoemulsiyalar - odatda 100 nanometrdan kam bo'lgan tomchilar bo'lgan emulsiyalar. Nanoemulsiyalar an'anaviy emulsiyalarga nisbatan bir qator afzalliklarga ega, jumladan, noyob funktsional xususiyatlar, yuqori barqarorlik, shaffoflik va boshqalar.
Ultrasonikatsiya an'anaviy emulsifikatsiya texnologiyalaridan ustun turadi, ayniqsa nanoemulsiyalarni shakllantirishda. Bu ultratovushning yuqori samarali va energiya talab qiladigan ish printsipi bilan bog'liq.
Ultrasonik emulsifikatsiyaning ishlash printsipi
Ultrasonik emulsifikatsiya jarayonlari akustik kavitatsiya kuchlaridan foydalanadi. Akustik kavitatsiya yuqori intensivlikdagi ultratovush to'lqinlariga duchor bo'lgan suyuq muhitda kichik pufakchalarning paydo bo'lishi, o'sishi va portlovchi qulashi fenomenini anglatadi. Ushbu pufakchalarning portlashi kuchli mahalliy bosim va harorat gradientlarini hosil qiladi, bu esa katta zarrachalar va aglomeratlarni kichikroq qismlarga parchalashi mumkin bo'lgan yuqori kesish kuchlarini, zarba to'lqinlarini va mikro-jetlarni yaratishi mumkin. Chapdagi rasmda suyuqlik bilan to'ldirilgan shisha ustundagi UIP1000hdT (1000 vatt) ultratovush apparati probida hosil bo'lgan ultratovushli kavitatsiya ko'rsatilgan.
Emulsifikatsiya va nano-emulsifikatsiyada akustik kavitatsiyaning intensivligi emulsiyadagi tomchilar hajmini kamaytirishda hal qiluvchi rol o'ynaydi. Kavitatsiya pufakchalarining portlovchi qulashi kuchli kesish kuchlarini yaratishi mumkin, bu esa katta tomchilarni kichikroqlarga parchalaydi. Bundan tashqari, kavitatsiya natijasida hosil bo'lgan mahalliy bosim va harorat gradientlari ham yangi tomchilar paydo bo'lishiga yordam beradi va emulsiyani barqarorlashtiradi.
Akustik kavitatsiyaning o'ziga xos jihati uning suyuq muhitga yuqori mexanik yoki termal stresslarsiz mahalliylashtirilgan va intensiv energiya kirishini ta'minlash qobiliyatidir. Bu uni nano-emulsifikatsiya qilish uchun jozibador texnikaga aylantiradi, chunki u emulsifikatsiya jarayoni uchun zarur bo'lgan energiya sarfini kamaytirishi mumkin, shu bilan birga kichikroq tomchi hajmi va torroq tomchi hajmi taqsimotiga erishadi.
Ushbu aniq boshqariladigan ultratovush kuchlari tufayli akustik kavitatsiya nano-emulsifikatsiya qilish uchun kuchli vositadir. Uning mahalliylashtirilgan va intensiv energiya sarfini yaratish qobiliyati submikron va nano o'lchamdagi tomchilarni hosil qiluvchi kattaroq tomchilarni juda yuqori samaradorlik bilan parchalash imkonini beradi.
Suvdagi neft (suv fazasi) va moydagi suv (neft fazasi) emulsiyalarida olib borilgan tadqiqotlar energiya zichligi va tomchi hajmi (masalan, Sauter diametri) o'rtasidagi bog'liqlikni ko'rsatdi. Energiya zichligi oshishi bilan tomchilar hajmining kichrayishi aniq tendentsiya mavjud (o'ng grafik ustiga bosing). Tegishli energiya zichligi darajasida ultratovush nano-diapazonda tomchilarning o'rtacha hajmiga oson va ishonchli tarzda erishishi mumkin.
Samarali emulsifikatsiya uchun ultratovushli problar
Hielscher suyuqliklarni partiyaviy va oqim rejimida samarali emulsifikatsiya qilish va tarqatish uchun keng ko'lamli zond tipidagi ultrasonikatorlar va aksessuarlarni taklif etadi.
Har biri 16000 vattgacha bo'lgan bir nechta ultratovushli protsessorlardan tashkil topgan tizimlar ushbu laboratoriya ilovasini uzluksiz oqim yoki partiyada nozik dispers emulsiyalarni olish uchun samarali ishlab chiqarish usuliga aylantirish uchun zarur bo'lgan quvvatni ta'minlaydi. – yangi teshikli klapan kabi hozirgi eng yaxshi yuqori bosimli gomogenizatorlar bilan taqqoslanadigan natijalarga erishish. Uzluksiz emulsifikatsiyadagi ushbu yuqori samaradorlikka qo'shimcha ravishda, Hielscher ultratovush qurilmalari juda kam parvarishlashni talab qiladi va ulardan foydalanish va tozalash juda oson. Ultratovush aslida tozalash va yuvishni qo'llab-quvvatlaydi. Ultrasonik quvvat sozlanishi va ma'lum mahsulotlarga va emulsifikatsiya talablariga moslashtirilishi mumkin. Ilg'or CIP (toza joyida) va SIP (sterilizatsiya joyida) talablariga javob beradigan maxsus oqim hujayra reaktorlari ham mavjud.
MultiSonoReactor MSR-4 yuqori o'tkazuvchanlikka ega (nano-)emulsifikatsiya jarayonlari uchun mos bo'lgan sanoat inline gomogenlash reaktoridir.
| To'plam hajmi | Oqim darajasi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 0,5 dan 1,5 ml gacha | na | VialTweeter | 1 dan 500 ml gacha | 10 dan 200 ml / min | UP100H |
| 10 dan 2000 ml gacha | 20 dan 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 dan 20 L gacha | 0.2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100 l gacha | 2 dan 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 dan 150 litrgacha | 3 dan 15 l / min | UIP6000hdT |
| na | 10 dan 100 l / min | UIP16000 |
| na | kattaroq | ning klasteri UIP16000 |
Biz bilan bog'lanish! / Bizdan so'rang!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, uchuvchi va sanoat miqyosida ilovalar, dispersiya, emulsifikatsiya va ekstraktsiyani aralashtirish uchun yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Adabiyot / Adabiyotlar
- 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.
Bilishga arziydigan faktlar
Terminning ta'rifi “emulsiya”
Emulsiya ikki yoki undan ortiq aralashmaydigan suyuqliklar, masalan, moy va suv aralashmasidir.
Emulsiyalar suvda yog' (yog' tomchilari suvda tarqalgan) yoki yog'da suv (suv tomchilari yog'da tarqalgan) bo'lishi mumkin. Emulsiyalar oziq-ovqat mahsulotlari (masalan, salatlar va mayonez), kosmetika (losonlar va kremlar kabi) va farmatsevtika (vaktsinalar kabi) kabi turli xil ilovalarda qo'llaniladi.
Emulsifikator emulsiyadagi ikki aralashmaydigan moddalar (masalan, moy va suv) orasidagi sirt tarangligini kamaytirish orqali ishlaydi. Bu ikki moddaning ajralish tendentsiyasini kamaytiradi va ularning barqaror aralashmani hosil qilishiga imkon beradi.
Qanday qilib emulsiya barqaror bo'ladi?
Dispers fazaning (bitta suyuqlik tomchilari) birlashishi va uzluksiz fazadan (atrofdagi suyuqlik) ajralishining oldini olish orqali emulsiya barqaror bo'ladi. Emulsiyalarda barqarorlikka erishish uchun bir nechta asosiy fikrlarni hisobga olish kerak:
- Emulsifikatorlar (sirt faol moddalar):
– Rol: Emulsifikatorlar molekulalar bo'lib, ular ham gidrofil (suvni tortuvchi) va ham hidrofobik (suvni qaytaruvchi) uchlariga ega.
– Harakat: Ular bir-biriga aralashmaydigan ikkita suyuqlik orasidagi sirt tarangligini pasaytiradi va tomchilar atrofida himoya qatlamini hosil qilib, ularning birlashishini oldini oladi.
– Misollar: Lesitin, polisorbatlar va natriy stearoil laktilat. - Mexanik usullar:
Yuqori samarali aralashtirish: Tomchilarni kichikroq o'lchamlarga ajratish, sirt maydonini oshirish va barqarorlikni oshirish uchun yuqori kesish mikserlari yoki gomogenizatorlardan foydalanish. Prob tipidagi sonikatorlar sonomexanik kesish kuchlaridan foydalangan holda ajoyib va juda ishonchli usuldir. Ushbu ultratovush kesish kuchlari katta tomchilarni mayda tomchilarga ajratadi va aralashmaydigan fazalarni barqaror emulsiyaga aralashtiradi. - Yopishqoqlikni o'zgartiruvchilar:
Qalinlashtiruvchi moddalar: Uzluksiz fazaning viskozitesini oshirish tomchilarning harakatini sekinlashtirishi mumkin, bu esa birlashish ehtimolini kamaytiradi.
– Misollar: Ksantan saqich, guar saqich va karboksimetil tsellyuloza. - Stabillashtiruvchi vositalar:
– Polimerlar: Polimerlar tomchilar atrofida qalin qatlam hosil qilib, sterik stabilizatsiyani ta'minlashi mumkin.
– Misollar: Pektin, jelatin va ba'zi oqsillar. - Elektrostatik stabilizatsiya:
– Zaryad: Ba'zi emulsifikatorlar tomchilar yuzasiga elektr zaryadini berib, ularning bir-birini itarishiga olib keladi va shu bilan birlashishni kamaytiradi.
– Misollar: Natriy kazeinat va soya lesitini. - Harorat nazorati:
– Sovutish: Haroratni pasaytirish uzluksiz fazaning viskozitesini oshirishi va tomchilarning kinetik energiyasini kamaytirishi mumkin, bu esa birlashishni oldini oladi.
– Fazalarni ajratishning oldini olish: Haroratning tarkibiy qismlarning ajralishiga to'sqinlik qiladigan oraliqda qolishini ta'minlash. - Qo'shimchalar:
– Antioksidantlar: Oksidlanishning oldini olish emulsifikator va boshqa komponentlarning yaxlitligini saqlashga yordam beradi.
– Chelating agentlari: Aks holda emulsiyani beqarorlashtirishi mumkin bo'lgan bog'lovchi metall ionlari.
To'g'ri emulsifikatsiya texnikasini qo'llash orqali emulsiyalar barqaror bo'lishi mumkin, bu aralashmaning bir hil bo'lishini va vaqt o'tishi bilan kerakli xususiyatlarini saqlab qolishini ta'minlaydi.
Stabillashtiruvchi emulsifikatorlar
Umuman olganda, emulsiyalar emulsifikatsiya qiluvchi vosita yoki sirt faol moddasi yordamida barqarorlashtirishni talab qiladi. Emulsifikatorlar amfifildir - ular suvni ham, yog'li moddalarni ham o'ziga tortadi. Bu ularning hidrofilik (suvni yaxshi ko'radigan) va hidrofobik (neftni yaxshi ko'radigan) xususiyatlariga ega ekanligini anglatadi, bu ularga emulsiyaning yog' va suv fazalari bilan o'zaro ta'sir qilish imkonini beradi. Emulgator molekulasining gidrofil qismi suv molekulalariga, hidrofobik qismi esa yog 'molekulalariga birikadi.
Yog 'tomchilarini emulsifikator molekulalari bilan o'rab, emulsifikator tomchilar atrofida himoya qatlamini hosil qiladi, bu ularning bir-biri bilan aloqa qilishiga va kattaroq tomchilar hosil qilish uchun birlashishiga (birikishiga) to'sqinlik qiladi. Bu emulsiyani barqaror saqlashga yordam beradi va ajralishning oldini oladi.
Buzilishdan keyin tomchilarning birlashishi yakuniy tomchi hajmi taqsimotiga ta'sir qilganligi sababli, ultratovush dispers zonasida tomchilar buzilishidan so'ng darhol taqsimotga teng bo'lgan darajada yakuniy tomchi hajmi taqsimotini ushlab turish uchun samarali stabillashadigan emulsifikatorlar qo'llaniladi. Stabilizatorlar, aslida, doimiy energiya zichligida tomchilarning buzilishini yaxshilashga olib keladi.
Ko'p ishlatiladigan emulsifikatorlarga misollar orasida lesitin (tuxum sarig'i va soyada mavjud), mono- va diglitseridlar, polisorbat 80 va natriy stearoil laktilat kiradi.
Hielscher Ultrasonics kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.