Ultratovushli kavitatsiya yordamida emulsiyalash
Oraliq va isteʼmol mahsulotlarining keng doirasi – masalan, kosmetika vositalari, teri uchun losyonlar, farmatsevtik surtmalar, laklar, boʻyoqlar, moylash materiallari va yoqilgʻilar – toʻliq yoki qisman emulsiyalarga asoslangan.
Hielscher ishlab chiqarish korxonalarida katta hajmli oqimlarni samarali emulsiyalash uchun dunyodagi eng yirik sanoat ultratovushli suyuqlikka ishlov berish qurilmalarini ishlab chiqaradi.
Ultratovushli emulsiyalash qanday ishlaydi
Laboratoriyada qoʻllanishi: Ultratovushli gomogenizatsiya va emulsiyalash bilan bogʻliq turli afzalliklar tufayli ultratovushning emulsiyalash qobiliyati laboratoriya sharoitida uzoq vaqtdan beri maʼlum va qoʻllanib kelmoqda.
Texnologiya
Ishonchli ultratovushli emulsiyalash sonotrodlar deb ham ataladigan ultratovushli zondlardan foydalanishga asoslanadi. Jarayon quyidagicha ishlaydi:
- Ultratovush energiyasini uzatish: Ultratovushli zond orqali yuqori intensivlikdagi ultratovush energiyasi suyuqliklarga uzatilib, akustik kavitatsiya hosil qiladi.
- Kavitatsiya taʼsiri: Ultratovushli yoki akustik kavitatsiya katta tomchilarni nanooʻlchamli tomchilargacha parchalash uchun zarur energiyani taʼminlaydigan yuqori siljish kuchlarini hosil qiladi.
- Emulsiyaning hosil boʻlishi: Ikki yoki undan ortiq suyuq faza aralashtirilib, bir jinsli submikron yoki nanoemulsiya hosil qilinadi.
Oqim orqali ishlov berish texnologiyasi yordamida sanoat miqyosiga oʻtish: Ultratovushli oqim hujayralaridan foydalanish katta hajmli oqimlarga uzluksiz oqim orqali ishlov berib, nanoemulsiyalar ishlab chiqarishni sanoat miqyosigacha chiziqli ravishda kengaytirish imkonini beradi.
UP400ST ultratovush qurilmasi yordamida tiniq nanoemulsiyani ultratovush bilan tayyorlash.
Ultratovushli emulsiyalashning afzalliklari
Zond turidagi ultratovush qurilmasi yordamida ultratovushli emulsiyalash boshqa emulsiyalash usullariga nisbatan bir qator afzalliklarni taqdim etadi:
- Emulsiya barqarorligining yaxshilanishi: Ultratovushli emulsiyalash kichikroq tomchilar va tomchilarning bir tekisroq taqsimlanishini hosil qiladi, natijada emulsiya barqarorligi yaxshilanadi va saqlash muddati uzayadi. Yuqori quvvatli ultratovush yordamida submikron va nanooʻlchamli tomchilarni ishonchli tarzda hosil qilish mumkin.
- Energiya samaradorligi: Ultratovushli emulsiyalash boshqa emulsiyalash usullariga qaraganda kamroq energiya talab qiladi, bu esa uni energiya jihatidan samaraliroq jarayonga aylantiradi.
- Miqyosni oʻzgartirish imkoniyati: Ultratovushli emulsiyalash miqyosini talab etilgan hajmga qarab osonlik bilan oshirish yoki kamaytirish mumkin, bu esa uni ham laboratoriya, ham sanoat qoʻllanishlari uchun koʻp qirrali jarayonga aylantiradi.
- Vaqtni tejash: Ultratovushli emulsiyalash juda tez jarayon boʻlishi mumkin: suyuqliklar, hajm va uskunaga qarab emulsiyalar soniyalardan daqiqalargacha boʻlgan vaqt ichida hosil boʻladi.
- Sirt-faol moddalarga ehtiyojning kamayishi: Ultratovushli emulsiyalash emulsiyalarni barqarorlashtirish uchun koʻpincha zarur boʻladigan sirt-faol moddalarga ehtiyojni kamaytirishi mumkin. Biroq tomchi oʻlchami kichrayganda zarrachaning sirt maydoni ortadi va sirt-faol modda bilan kattaroq maydon qoplanishi kerak boʻladi. Ultratovush bilan ishlov berish sirt-faol moddalarning deyarli har qanday turi, jumladan muqobil va yangi emulsiyalovchi moddalar bilan mos keladi.
- Minimal va boshqariladigan issiqlik hosil boʻlishi: Ultratovushli emulsiyalash termik boʻlmagan jarayon boʻlib, ishlov berish vaqtida issiqlik hosil boʻlishining oldini olish yoki uni oz darajada kamaytirish mumkin. Shu tariqa sezgir birikmalar yoki tarkibiy qismlarning termik parchalanish xavfi kamayadi.
Zond turidagi ultratovush qurilmasi yordamida ultratovushli emulsiyalashning afzalliklari uni oziq-ovqat va ichimliklar, farmatsevtika, kosmetika, nozik kimyoviy moddalar hamda yoqilgʻilar kabi turli sohalarda emulsiyalash uchun ajoyib tanlovga aylantiradi.
Mayonezni ultratovush bilan emulsiyalash haqida batafsil oʻqing!
Ultratovush bilan ishlov berish yordamida parafin mumi emulsiyalarini ishlab chiqarish haqida batafsil oʻqing!
Ultratovush yordamida hosil qilingan dizeldagi suv emulsiyalari haqida batafsil oʻqing!
DLS oʻlchovi ultratovush yordamida hosil qilingan suvdagi atirgul moyi emulsiyasi tomchilarining oʻlchamlari bir tekis taqsimlanganini koʻrsatadi.
Emulsiya nima?Emulsiyalar ikki yoki undan ortiq oʻzaro aralashmaydigan suyuqliklarning dispersiyalaridir. Juda yuqori intensivlikdagi ultratovush suyuq fazani (dispers fazani) ikkinchi fazada (uzluksiz fazada) kichik tomchilar shaklida disperslash uchun zarur quvvatni taʼminlaydi. Disperslash zonasida ichkariga qarab qulaydigan kavitatsiya pufakchalari atrofdagi suyuqlikda kuchli zarba toʻlqinlarini yuzaga keltiradi va yuqori tezlikdagi suyuqlik oqimchalarining hosil boʻlishiga olib keladi.
Nanoemulsiyalar – ultratovush qurilmalarining kuchli qoʻllanish sohasi
Nanoemulsiyalar odatda oʻlchami 100 nanometrdan kichik boʻlgan tomchilardan iborat emulsiyalardir. Nanoemulsiyalar anʼanaviy emulsiyalarga nisbatan bir qator afzalliklarni, jumladan oʻziga xos funksional xususiyatlar, yuqoriroq barqarorlik, shaffoflik va boshqalarni taqdim etadi.
Ultratovush bilan ishlov berish, ayniqsa nanoemulsiyalarni hosil qilishda, anʼanaviy emulsiyalash texnologiyalaridan ustun turadi. Bu ultratovushning juda samarali va yuqori energiya intensivligiga ega ishlash tamoyili bilan bogʻliq.
Quyidagi videoda UP400S laboratoriya ultratovush qurilmasi yordamida moyni (sariq) suvga (qizil) emulsiyalash jarayoni koʻrsatilgan.
Ultratovushli emulsiyalashning ishlash tamoyili
Akustik kavitatsiya: ultratovushli emulsiyalash va nanoemulsiyalashning harakatlantiruvchi kuchi
Ultratovushli emulsiyalash yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlikdan oʻtganda yuzaga keladigan hodisa – akustik kavitatsiyaning kuchli taʼsirlariga asoslanadi. Bu jarayonda mikroskopik pufakchalar hosil boʻladi, oʻsadi va soʻng keskin qulaydi. Ushbu pufakchalarning ichkariga qarab qulashi oʻta keskin mahalliy sharoitlarni, jumladan kuchli bosim va harorat gradiyentlarini, yuqori siljish kuchlarini, zarba toʻlqinlarini va suyuqlik mikrooqimchalarini hosil qiladi. Bu kuchlar katta zarrachalar, tomchilar va aglomeratlarni ancha kichik tuzilmalarga samarali parchalaydi.
Chapdagi rasmda suyuqlik bilan toʻldirilgan shisha kolonnada ishlayotgan UIP1000hdT ultratovushli ishlov berish qurilmasi (1000 W) hosil qilgan akustik kavitatsiya tasvirlangan.
Akustik kavitatsiya emulsiyalashni qanday yaxshilaydi
Ham emulsiyalashda, ham nanoemulsiyalashda kavitatsiya intensivligi tomchi oʻlchamini belgilovchi asosiy omildir. Kavitatsiya pufakchalari qulaganda hosil boʻladigan siljish kuchlari kattaroq tomchilarni tobora kichikroq tomchilarga parchalaydi. Shu bilan birga, bosim va haroratning mahalliy oʻzgarishlari yangi tomchilar hosil boʻlishiga yordam beradi hamda emulsiyani barqarorlashtirishga koʻmaklashadi.
Tomchilarni parchalash va barqarorlashtirishning bu uygʻunligi ultratovush texnologiyasi yordamida tomchi oʻlchamlari nihoyatda mayda taqsimotga ega juda bir jinsli emulsiyalarni ishlab chiqarish imkonini beradi.
MD, WPI va ularning aralashmasi bilan, 40% quruq modda va 9% moy (w/w) miqdoriga ega boʻlgan, (a) klassik gomogenizatsiya usuli va (b) ultratovushli gomogenizatsiya usuli (UP400S yordamida) bilan tayyorlangan suv–zaytun moyi emulsiyalaridagi tomchi oʻlchamlarining taqsimoti. Ultratovushli emulsiyalash sezilarli darajada kichikroq tomchilar, tomchilarning yuqoriga koʻtarilib qatlam hosil qilishining kamayishi va emulsiyaning umumiy barqarorligi yaxshilanishiga olib keladi.
(tadqiqot va grafiklar: Zungur et al., 2015)
Samarali emulsiyalash uchun ultratovushli zondlar
Hielscher suyuqliklarni davriy va oqim orqali ishlov berish rejimlarida samarali emulsiyalash hamda disperslash uchun zond turidagi ultratovush qurilmalari va aksessuarlarining keng assortimentini taklif etadi.
Har birining quvvati 16 000 vattgacha boʻlgan bir nechta ultratovushli ishlov berish qurilmalaridan iborat tizimlar ushbu laboratoriya qoʻllanishini uzluksiz oqimda yoki davriy rejimda mayin disperslangan emulsiyalar olish uchun samarali ishlab chiqarish usuliga aylantirishga zarur unumdorlikni taʼminlaydi – bunda yangi teshikli klapan kabi bugungi kunda mavjud eng yaxshi yuqori bosimli gomogenizatorlar natijalariga tenglashadigan natijalarga erishiladi. Uzluksiz emulsiyalashdagi ushbu yuqori samaradorlikdan tashqari, Hielscher ultratovush qurilmalari juda kam texnik xizmat talab qiladi hamda ularni ishlatish va tozalash juda oson. Ultratovush haqiqatan ham tozalash va chayishga yordam beradi. Ultratovush quvvati sozlanadi va uni muayyan mahsulotlar hamda emulsiyalash talablariga moslashtirish mumkin. Ilgʻor CIP (joyida tozalash) va SIP (joyida sterilizatsiya qilish) talablariga javob beradigan maxsus oqim hujayrasi reaktorlari ham mavjud.
MultiSonoReactor MSR-4 yuqori ishlov berish unumdorligiga ega (nano-)emulsiyalash jarayonlari uchun mos keladigan, oqim liniyasiga oʻrnatiladigan sanoat gomogenizatsiya reaktoridir.
| Davriy ishlov berish hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | kattaroq | klasterga birlashtirilgan UIP16000 |
Biz bilan bogʻlaning! / Bizga savol bering!
MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator Hielscher ultratovushli oqim hujayrasi reaktorlari bilan mos keladigan kuchli aksessuardir: MPC48 qoʻshimcha elementi yordamida dispers faza 48 ta kanyula orqali ingichka suyuqlik tolalari shaklida ultratovushning issiq zonasiga yuboriladi; u yerda dispers faza va uzluksiz faza juda mayda tomchilar shaklida aralashib, nanoemulsiya hosil qiladi.
MultiPhaseCavitator emulsiyalashni qanday yaxshilashini bilib oling!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba va sanoat miqyosida aralashtirish, disperslash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori unumdor ultratovushli gomogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Adabiyotlar / Manbalar
- 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
Bilishga arziydigan maʼlumotlar
“Emulsiya” atamasining taʼrifi
Emulsiya moy va suv kabi ikki yoki undan ortiq oʻzaro aralashmaydigan suyuqliklarning aralashmasidir.
Emulsiyalar suvdagi moy (moy tomchilari suvda disperslangan) yoki moydagi suv (suv tomchilari moyda disperslangan) turida boʻlishi mumkin. Emulsiyalar turli qoʻllanishlarda, jumladan oziq-ovqat mahsulotlarida (masalan, salat souslari va mayonez), kosmetika vositalarida (masalan, losyonlar va kremlar) hamda farmatsevtik mahsulotlarda (masalan, vaksinalar) ishlatiladi.
Emulsiyalovchi modda emulsiyadagi ikki oʻzaro aralashmaydigan modda (masalan, moy va suv) orasidagi sirt tarangligini kamaytirish orqali taʼsir qiladi. Bu ikki moddaning ajralishga moyilligini kamaytiradi va ularga barqaror aralashma hosil qilish imkonini beradi.
Emulsiya qanday barqarorlashtiriladi?
Dispers fazaning (bir suyuqlik tomchilarining) birlashishi va uzluksiz fazadan (atrofdagi suyuqlikdan) ajralishining oldini olish orqali emulsiya barqarorlashtiriladi. Emulsiyalarda barqarorlikka erishish uchun bir nechta asosiy jihatni hisobga olish kerak:
- Emulsiyalovchi moddalar (sirt-faol moddalar):
– Vazifasi: Emulsiyalovchi moddalar ham gidrofil (suvni tortuvchi), ham gidrofob (suvni itaruvchi) uchlarga ega molekulalardir.
– Taʼsiri: Ular ikki oʻzaro aralashmaydigan suyuqlik orasidagi sirt tarangligini kamaytiradi va tomchilar atrofida himoya qatlamini hosil qilib, ularning birlashishiga yoʻl qoʻymaydi.
– Misollar: Letsitin, polisorbatlar va natriy stearoil laktilat. - Mexanik usullar:
Yuqori unumdor aralashtirish: Tomchilarni kichikroq oʻlchamlarga parchalash, sirt maydonini oshirish va barqarorlikni kuchaytirish uchun yuqori siljish kuchiga ega aralashtirgichlar yoki gomogenizatorlardan foydalanish. Sonomexanik siljish kuchlaridan foydalanadigan zond turidagi ultratovush qurilmalari ajoyib va juda ishonchli usuldir. Ushbu ultratovushli siljish kuchlari katta tomchilarni juda mayda tomchilarga parchalaydi va oʻzaro aralashmaydigan fazalarni barqaror emulsiyaga aralashtiradi. - Qovushqoqlikni oʻzgartiruvchi moddalar:
Quyuqlashtiruvchi moddalar: Uzluksiz fazaning qovushqoqligini oshirish tomchilar harakatini sekinlashtirishi va ularning birlashish ehtimolini kamaytirishi mumkin.
– Misollar: Ksantan saqichi, guar saqichi va karboksimetilsellyuloza. - Barqarorlashtiruvchi moddalar:
– Polimerlar: Polimerlar tomchilar atrofida qalin qatlam hosil qilib, sterik barqarorlashtirishni taʼminlashi mumkin.
– Misollar: Pektin, jelatin va ayrim oqsillar. - Elektrostatik barqarorlashtirish:
– Zaryad: Ayrim emulsiyalovchi moddalar tomchilar sirtiga elektr zaryadi beradi, natijada ular bir-birini itaradi va shu tariqa ularning birlashishi kamayadi.
– Misollar: Natriy kazeinat va soya letsitini. - Haroratni boshqarish:
– Sovitish: Haroratni pasaytirish uzluksiz fazaning qovushqoqligini oshirishi va tomchilarning kinetik energiyasini kamaytirishi, shu orqali ularning birlashishining oldini olishi mumkin.
– Fazalar ajralishining oldini olish: Harorat tarkibiy qismlarning ajralishiga yoʻl qoʻymaydigan diapazonda qolishini taʼminlash. - Qoʻshimchalar:
– Antioksidantlar: Oksidlanishning oldini olish emulsiyalovchi modda va boshqa tarkibiy qismlarning yaxlitligini saqlashga yordam berishi mumkin.
– Xelatlovchi moddalar: Aks holda emulsiyani beqarorlashtirishi mumkin boʻlgan metall ionlarini bogʻlash.
Toʻgʻri emulsiyalash usulini qoʻllash orqali emulsiyalarni barqarorlashtirish, aralashmaning bir jinsli boʻlib qolishini va vaqt davomida kerakli xususiyatlarini saqlashini taʼminlash mumkin.
Barqarorlashtiruvchi emulsiyalovchi moddalar
Umuman olganda, emulsiyalar emulsiyalovchi modda yoki sirt-faol modda yordamida barqarorlashtirishni talab qiladi. Emulsiyalovchi moddalar amfifildir – ular ham suvni, ham yogʻli moddalarni tortadi. Bu ularning gidrofil (suvga moyil) va gidrofob (moyga moyil) xususiyatlarga ega ekanini anglatadi, bu esa ularga emulsiyaning ham moy, ham suv fazalari bilan oʻzaro taʼsirlashish imkonini beradi. Emulsiyalovchi modda molekulasining gidrofil qismi suv molekulalariga, gidrofob qismi esa moy molekulalariga birikadi.
Moy tomchilarini emulsiyalovchi modda molekulalari bilan oʻrab, emulsiyalovchi modda tomchilar atrofida himoya qatlamini hosil qiladi; bu qatlam ularning bir-biriga tegishi va kattaroq tomchilar hosil qilish uchun koalessensiyalanishiga (birlashishiga) yoʻl qoʻymaydi. Bu emulsiyani barqaror saqlashga yordam beradi va ajralishning oldini oladi.
Parchalanishdan keyin tomchilarning birlashishi yakuniy tomchi oʻlchamlari taqsimotiga taʼsir qilgani uchun, yakuniy tomchi oʻlchamlari taqsimotini ultratovushli disperslash zonasida tomchilar parchalanganidan darhol keyingi taqsimotga teng darajada saqlash maqsadida samarali barqarorlashtiruvchi emulsiyalovchi moddalar qoʻllanadi. Barqarorlashtiruvchi moddalar oʻzgarmas energiya zichligida tomchilarning parchalanishini haqiqatan ham yaxshilaydi.
Koʻp qoʻllanadigan emulsiyalovchi moddalarga letsitin (tuxum sarigʻi va soya donlarida uchraydi), mono- va diglitseridlar, polisorbat 80 hamda natriy stearoil laktilat kiradi.
Ultratovush bilan ishlov berish yordamida samarali hosil qilinadigan miniemulsiyalar kimyoviy reaksiyalarni kuchaytiradi. Makroemulsiya polimerlanishi (a) va miniemulsiya polimerlanishi (b) taqqoslanishi [Schork et al. 2005: 136]
Hielscher Ultrasonics yuqori unumdor ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya miqyosidan sanoat miqyosigacha boʻlgan oʻlchamlarda ishlab chiqaradi.