Nhũ hóa bằng xâm thực siêu âm

Nhiều loại sản phẩm trung gian và sản phẩm tiêu dùng – như mỹ phẩm, sữa dưỡng da, thuốc mỡ, véc-ni, sơn, chất bôi trơn và nhiên liệu – có thành phần hoàn toàn hoặc một phần là nhũ tương.
Hielscher sản xuất các thiết bị xử lý chất lỏng bằng siêu âm công nghiệp lớn nhất thế giới để nhũ hóa hiệu quả các dòng chất lỏng có lưu lượng lớn trong các nhà máy sản xuất.

Nguyên lý hoạt động của quá trình nhũ hóa bằng siêu âm

Ứng dụng trong phòng thí nghiệm: Trong phòng thí nghiệm, khả năng nhũ hóa của siêu âm đã được biết đến và ứng dụng từ lâu nhờ những lợi ích đa dạng của quá trình đồng nhất hóa và nhũ hóa bằng siêu âm.

Công nghệ

Quá trình nhũ hóa bằng siêu âm đáng tin cậy dựa trên việc sử dụng các đầu dò siêu âm, còn gọi là sonotrode. Quá trình diễn ra như sau:

1. Truyền năng lượng siêu âm: Thông qua đầu dò siêu âm, năng lượng siêu âm cường độ cao được truyền vào chất lỏng, tạo ra hiện tượng xâm thực âm.
2. Tác động của xâm thực: Xâm thực siêu âm hay xâm thực âm tạo ra lực cắt lớn, cung cấp năng lượng cần thiết để phá vỡ các giọt lớn thành các giọt có kích thước nano.
3. Hình thành nhũ tương: Hai hoặc nhiều pha lỏng được trộn thành nhũ tương đồng đều có kích thước giọt dưới micromét hoặc ở thang nano.

 
Mở rộng lên quy mô công nghiệp bằng công nghệ dòng chảy xuyên qua: Việc sử dụng các buồng dòng chảy siêu âm cho phép mở rộng quy mô tuyến tính lên sản xuất nhũ tương nano trong công nghiệp, xử lý các dòng chất lỏng có lưu lượng lớn theo chế độ dòng chảy xuyên qua liên tục.

Ưu điểm của nhũ hóa bằng siêu âm

Nhũ hóa bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò mang lại nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật nhũ hóa khác:

1. Cải thiện độ ổn định của nhũ tương: Nhũ hóa bằng siêu âm tạo ra các giọt nhỏ hơn và phân bố giọt đồng đều hơn, nhờ đó cải thiện độ ổn định của nhũ tương và kéo dài thời hạn bảo quản. Siêu âm công suất cao có thể tạo ra các giọt có kích thước dưới micromét và ở thang nano một cách đáng tin cậy.
2. Hiệu quả năng lượng: Nhũ hóa bằng siêu âm cần ít năng lượng hơn các phương pháp nhũ hóa khác, khiến quá trình này sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.
3. Khả năng thay đổi quy mô: Quá trình nhũ hóa bằng siêu âm có thể dễ dàng được mở rộng hoặc thu nhỏ quy mô tùy theo thể tích cần xử lý, nên đây là một quá trình linh hoạt cho cả ứng dụng trong phòng thí nghiệm lẫn công nghiệp.
4. Tiết kiệm thời gian: Nhũ hóa bằng siêu âm có thể diễn ra rất nhanh, với nhũ tương hình thành trong vài giây đến vài phút, tùy thuộc vào chất lỏng, thể tích và thiết bị.
5. Giảm nhu cầu sử dụng chất hoạt động bề mặt: Nhũ hóa bằng siêu âm có thể giảm nhu cầu sử dụng chất hoạt động bề mặt, vốn thường cần thiết để ổn định nhũ tương. Tuy nhiên, khi kích thước giọt giảm, diện tích bề mặt của hạt tăng lên và chất hoạt động bề mặt phải bao phủ diện tích lớn hơn. Xử lý bằng siêu âm tương thích với hầu hết mọi loại chất hoạt động bề mặt, bao gồm cả các chất nhũ hóa thay thế và chất nhũ hóa mới.
6. Sinh nhiệt ở mức tối thiểu và có thể kiểm soát: Nhũ hóa bằng siêu âm là một quá trình phi nhiệt và có thể tránh sinh nhiệt hoặc giảm lượng nhiệt sinh ra xuống mức thấp trong quá trình xử lý. Nhờ đó, nguy cơ phân hủy do nhiệt của các hợp chất hoặc thành phần nhạy cảm được giảm bớt.

Những ưu điểm của quá trình nhũ hóa bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò khiến đây trở thành lựa chọn tuyệt vời để nhũ hóa trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất tinh khiết và nhiên liệu.
Tìm hiểu thêm về nhũ hóa mayonnaise bằng siêu âm!
Tìm hiểu thêm về sản xuất nhũ tương sáp parafin bằng xử lý siêu âm!
Tìm hiểu thêm về nhũ tương nước trong dầu diesel được sản xuất bằng siêu âm!

Phép đo DLS cho thấy phân bố kích thước giọt đồng đều của nhũ tương dầu hoa hồng trong nước được tạo ra bằng siêu âm.

Nhũ tương là gì?
Nhũ tương là hệ phân tán của hai hoặc nhiều chất lỏng không hòa tan lẫn nhau. Siêu âm cường độ rất cao cung cấp công suất cần thiết để phân tán một pha lỏng (pha phân tán) thành các giọt nhỏ trong pha thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, các bọt xâm thực sụp đổ vào trong gây ra sóng xung kích mạnh trong chất lỏng xung quanh và dẫn đến sự hình thành các tia chất lỏng có vận tốc cao.

Nhũ tương nano – Ứng dụng phát huy sức mạnh của máy siêu âm

Nhũ tương nano là nhũ tương có các giọt thường có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet. Nhũ tương nano mang lại một số ưu điểm so với nhũ tương thông thường, bao gồm các đặc tính chức năng độc đáo, độ ổn định cao hơn, độ trong suốt, v.v.
Xử lý siêu âm vượt trội hơn các công nghệ nhũ hóa truyền thống, đặc biệt trong việc tạo nhũ tương nano. Điều này là nhờ nguyên lý hoạt động có hiệu suất cao và cường độ năng lượng lớn của siêu âm.

 
Video dưới đây cho thấy quá trình nhũ hóa dầu (màu vàng) vào nước (màu đỏ) bằng máy siêu âm phòng thí nghiệm UP400S.

Nguyên lý hoạt động của quá trình nhũ hóa bằng siêu âm

Xâm thực âm: Động lực thúc đẩy quá trình nhũ hóa và nhũ hóa nano bằng siêu âm
Nhũ hóa bằng siêu âm dựa trên các tác động mạnh mẽ của hiện tượng xâm thực âm, xảy ra khi sóng siêu âm cường độ cao truyền qua chất lỏng. Trong quá trình này, các bọt khí vi mô hình thành, phát triển rồi sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ hướng vào trong của các bọt khí này tạo ra các điều kiện cục bộ cực đoan, bao gồm gradient áp suất và nhiệt độ lớn, lực cắt cao, sóng xung kích và các vi tia chất lỏng. Những lực này phá vỡ hiệu quả các hạt lớn, giọt lớn và khối kết tụ thành các cấu trúc nhỏ hơn nhiều.
Hình ảnh bên trái minh họa hiện tượng xâm thực âm do thiết bị xử lý siêu âm UIP1000hdT (1000 W) tạo ra khi hoạt động trong một cột thủy tinh chứa đầy chất lỏng.

Xâm thực âm cải thiện quá trình nhũ hóa như thế nào

Trong cả quá trình nhũ hóa và nhũ hóa nano, cường độ xâm thực là yếu tố then chốt quyết định kích thước giọt. Khi các bọt xâm thực sụp đổ, lực cắt sinh ra phá vỡ các giọt lớn thành các giọt ngày càng nhỏ hơn. Đồng thời, những thay đổi cục bộ về áp suất và nhiệt độ thúc đẩy sự hình thành các giọt mới, đồng thời giúp ổn định nhũ tương.
Sự kết hợp giữa phá vỡ giọt và ổn định nhũ tương này cho phép công nghệ siêu âm tạo ra các nhũ tương có độ đồng đều cao với phân bố kích thước giọt cực mịn.
 

Phân bố kích thước giọt của các nhũ tương nước–dầu ô liu được tạo bằng (a) phương pháp đồng nhất hóa truyền thống (b) phương pháp đồng nhất hóa bằng siêu âm (sử dụng UP400S), với MD, WPI và hỗn hợp của chúng, có hàm lượng chất khô 40% và hàm lượng dầu 9% (w/w). Nhũ hóa bằng siêu âm tạo ra các giọt nhỏ hơn đáng kể, giảm hiện tượng nổi kem và cải thiện độ ổn định tổng thể của nhũ tương.
(nghiên cứu và đồ thị: Zungur và cộng sự, 2015)

Đầu dò siêu âm để nhũ hóa hiệu quả

Hielscher cung cấp nhiều loại máy siêu âm dạng đầu dò và phụ kiện để nhũ hóa và phân tán chất lỏng hiệu quả ở chế độ xử lý theo mẻ và dòng chảy qua.
Các hệ thống gồm nhiều thiết bị xử lý siêu âm, mỗi thiết bị có công suất lên đến 16.000 oát, cung cấp năng lực cần thiết để chuyển ứng dụng trong phòng thí nghiệm này thành một phương pháp sản xuất hiệu quả nhằm thu được các nhũ tương phân tán mịn trong dòng chảy liên tục hoặc theo mẻ – đạt kết quả tương đương với các máy đồng nhất hóa áp suất cao tốt nhất hiện có, chẳng hạn như van lỗ tiết lưu mới. Bên cạnh hiệu suất cao trong nhũ hóa liên tục, các thiết bị siêu âm Hielscher có nhu cầu bảo trì rất thấp, đồng thời rất dễ vận hành và vệ sinh. Siêu âm thực sự hỗ trợ việc vệ sinh và tráng rửa. Công suất siêu âm có thể điều chỉnh và thích ứng với từng sản phẩm cũng như yêu cầu nhũ hóa cụ thể. Các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy đặc biệt đáp ứng các yêu cầu tiên tiến về CIP (vệ sinh tại chỗ) và SIP (tiệt trùng tại chỗ) cũng có sẵn.

MultiPhaseCavitator (MPC48)
MultiPhaseCavitator là một phụ kiện mạnh mẽ, tương thích với các buồng phản ứng dòng chảy siêu âm của Hielscher: Khi sử dụng bộ phận chèn MPC48, pha phân tán được bơm qua 48 ống kim dưới dạng các sợi chất lỏng mảnh vào vùng tác động siêu âm mạnh, nơi pha phân tán và pha liên tục được trộn thành nhũ tương nano với các giọt cực nhỏ.
Khám phá cách MultiPhaseCavitator cải thiện quá trình nhũ hóa!

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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