Nhũ hóa bằng siêu âm Cavitation

Một loạt các sản phẩm trung gian và tiêu dùng – chẳng hạn như mỹ phẩm, kem dưỡng da, thuốc mỡ dược phẩm, vecni, sơn, chất bôi trơn và nhiên liệu – được tạo ra hoàn toàn hoặc một phần từ các hỗn hợp nhũ tương.
Hielscher sản xuất các thiết bị xử lý chất lỏng bằng sóng siêu âm công nghiệp lớn nhất thế giới, phục vụ cho quá trình nhũ hóa hiệu quả các dòng nguyên liệu có khối lượng lớn tại các nhà máy sản xuất.

Cơ chế hoạt động của quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm

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

Công nghệ

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

1. Chất dẫn truyền siêu âm: Thông qua đầu dò siêu âm, sóng siêu âm cường độ cao được truyền vào chất lỏng, tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh.
2. Hiệu ứng xâm thực: Hiện tượng xâm thực siêu âm hoặc âm học tạo ra lực cắt lớn, cung cấp năng lượng cần thiết để phân tách các giọt lớn thành các giọt có kích thước nano.
3. Quá trình hình thành nhũ tương: Hai hoặc nhiều pha lỏng được trộn lẫn với nhau để tạo thành một hỗn hợp nhũ tương đồng nhất có kích thước dưới micromet hoặc nano.

 
Mở rộng quy mô công nghiệp thông qua công nghệ dòng chảy liên tục: Việc sử dụng các tế bào dòng chảy siêu âm cho phép mở rộng quy mô một cách tuyến tính lên quy mô sản xuất công nghiệp đối với các chất nhũ tương nano, xử lý các dòng chất lỏng có khối lượng lớn theo phương thức dòng chảy liên tục.

Những ưu điểm của quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm

Nhũ tương siêu âm bằng cách sử dụng một ultrasonicator loại thăm dò cung cấp một số lợi thế so với các kỹ thuật nhũ hóa khác:

1. Cải thiện độ ổn định nhũ tương: Nhũ tương siêu âm tạo ra kích thước giọt nhỏ hơn và phân phối giọt đồng đều hơn, dẫn đến cải thiện độ ổn định nhũ tương và thời hạn sử dụng lâu hơn. Các giọt có kích thước submicron và nano có thể được sản xuất một cách đáng tin cậy bằng siêu âm điện.
2. Hiệu quả năng lượng: Nhũ tương siêu âm đòi hỏi ít năng lượng hơn các phương pháp nhũ tương hóa khác, làm cho nó trở thành một quá trình tiết kiệm năng lượng hơn.
3. Khả năng mở rộng: Nhũ tương siêu âm có thể dễ dàng thu nhỏ lên hoặc xuống tùy thuộc vào khối lượng yêu cầu, làm cho nó trở thành một quá trình linh hoạt cho cả ứng dụng phòng thí nghiệm và công nghiệp.
4. Tiết kiệm thời gian: Nhũ tương siêu âm có thể là một quá trình rất nhanh, với nhũ tương hình thành trong vài giây đến vài phút, tùy thuộc vào chất lỏng, khối lượng và thiết bị.
5. Giảm nhu cầu về chất hoạt động bề mặt: Nhũ tương siêu âm có thể làm giảm nhu cầu về chất hoạt động bề mặt, thường được yêu cầu để ổn định nhũ tương. Tuy nhiên, với kích thước giọt giảm, diện tích bề mặt của hạt được tăng lên và nhiều diện tích hơn phải được bao phủ bởi chất hoạt động bề mặt. Ultrasonication tương thích với hầu hết các loại chất hoạt động bề mặt bao gồm cả chất nhũ hóa thay thế và mới.
6. Tạo nhiệt tối thiểu và có thể kiểm soát được: Nhũ tương siêu âm là một quá trình không nhiệt và sinh nhiệt trong quá trình chế biến có thể tránh được hoặc giảm đến một mức độ nhỏ. Qua đó, nguy cơ phân hủy nhiệt của các hợp chất hoặc thành phần nhạy cảm được giảm bớt.

Những lợi thế của nhũ tương siêu âm bằng cách sử dụng một ultrasonicator loại thăm dò làm cho nó trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho nhũ tương hóa trong nhiều lĩnh vực, bao gồm thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất tốt và nhiên liệu.
Đọc thêm về nhũ tương mayonnaise siêu âm!
Đọc thêm về việc sản xuất nhũ tương sáp parafin bằng cách sử dụng sonication!
Đọc thêm về nhũ tương nước trong diesel được sản xuất bằng cách sử dụng siêu âm!

Kết quả đo DLS cho thấy sự phân bố kích thước giọt đồng đều của một hỗn hợp nhũ tương dầu hoa hồng trong nước được tạo ra bằng sóng siêu âm.

Nhũ tương là gì?
Nhũ tương là sự phân tán của hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn. Siêu âm chuyên sâu cung cấp năng lượng cần thiết để phân tán pha lỏng (pha phân tán) trong các giọt nhỏ trong pha thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, bong bóng xâm thực nổ tung gây ra sóng xung kích mạnh trong chất lỏng xung quanh và dẫn đến sự hình thành các tia chất lỏng có vận tốc chất lỏng cao.

Nhũ tương nano – Ứng dụng công suất cho máy siêu âm

Nhũ tương nano là nhũ tương với các giọt thường có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet. Nhũ tương nano cung cấp một số lợi thế so với nhũ tương thông thường, bao gồm các đặc tính chức năng độc đáo, độ ổn định cao hơn, trong suốt, v.v.
Ultrasonication vượt trội hơn các công nghệ nhũ tương hóa truyền thống, đặc biệt là khi nói đến sự hình thành của nanoemulsions. Điều này là do nguyên tắc làm việc hiệu quả cao và tốn nhiều năng lượng của siêu âm.

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

Nguyên tắc làm việc của nhũ tương siêu âm

Hiện tượng xâm thực âm thanh: Động lực thúc đẩy quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm và nhũ hóa nano
Quá trình nhũ hóa bằng siêu âm dựa trên tác động mạnh mẽ của hiện tượng xâm thực âm thanh, một hiện tượng xảy ra khi sóng siêu âm cường độ cao đi qua chất lỏng. Trong quá trình này, các bọt khí siêu nhỏ hình thành, phát triển và sau đó vỡ tan một cách dữ dội. Sự sụp đổ nổ của các bong bóng này tạo ra các điều kiện cục bộ cực đoan, bao gồm áp suất và độ dốc nhiệt độ cao, lực cắt lớn, sóng xung kích và các tia chất lỏng siêu nhỏ. Các lực này có hiệu quả trong việc phân hủy các hạt lớn, giọt nhỏ và các khối kết tụ thành các cấu trúc nhỏ hơn nhiều.
Hình ảnh bên trái minh họa hiện tượng xâm thực âm thanh do máy xử lý siêu âm UIP1000hdT (1000 W) tạo ra khi hoạt động trong một cột thủy tinh chứa đầy chất lỏng.

Cơ chế hoạt động của hiện tượng xâm thực âm thanh trong việc cải thiện quá trình nhũ hóa

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

Phân bố kích thước giọt của các hỗn hợp nhũ tương nước-dầu ô liu được điều chế bằng (a) phương pháp đồng nhất hóa truyền thống và (b) phương pháp đồng nhất hóa bằng sóng siêu âm (sử dụng máy UP400S), với các thành phần MD, WPI và hỗn hợp của chúng, có hàm lượng chất khô 40% và hàm lượng dầu 9% (theo trọng lượng). Quá trình tạo nhũ tương bằng sóng siêu âm cho ra các giọt nhỏ hơn đáng kể, ít hiện tượng tách lớp hơn và độ ổn định tổng thể của nhũ tương tốt hơn.
(nghiên cứu và đồ thị: Zungur et al., 2015)

Đầu dò siêu âm để nhũ tương hóa hiệu quả

Hielscher cung cấp một loạt các ultrasonicators loại thăm dò và các phụ kiện cho việc nhũ hóa hiệu quả và phân tán chất lỏng trong chế độ hàng loạt và dòng chảy.
Các hệ thống bao gồm một số bộ vi xử lý siêu âm lên đến 16.000 watt mỗi, cung cấp công suất cần thiết để dịch ứng dụng phòng thí nghiệm này thành một phương pháp sản xuất hiệu quả để thu được nhũ tương phân tán mịn trong dòng chảy liên tục hoặc theo lô – Đạt được kết quả tương đương với các chất đồng nhất áp suất cao tốt nhất hiện nay, chẳng hạn như van lỗ mới. Ngoài hiệu quả cao này trong việc nhũ hóa liên tục, các thiết bị siêu âm Hielscher yêu cầu bảo trì rất thấp và rất dễ vận hành và làm sạch. Siêu âm thực sự hỗ trợ làm sạch và súc miệng. Công suất siêu âm có thể điều chỉnh và có thể được điều chỉnh cho các sản phẩm cụ thể và yêu cầu nhũ hóa. Các lò phản ứng tế bào dòng chảy đặc biệt đáp ứng các yêu cầu CIP (làm sạch tại chỗ) và SIP (khử trùng tại chỗ) tiên tiến cũng có sẵn.

Thiết bị tạo bọt đa pha (MPC48)
MultiPhaseCavitator là một phụ kiện mạnh mẽ tương thích với các lò phản ứng tế bào dòng chảy siêu âm của Hielscher: Khi sử dụng bộ chèn MPC48, pha phân tán được phun qua 48 ống tiêm dưới dạng các sợi chất lỏng mảnh vào vùng siêu âm, nơi pha phân tán và pha liên tục được trộn lẫn dưới dạng các giọt siêu nhỏ để tạo thành một nhũ tương nano.
Khám phá cách MultiPhaseCavitator giúp cải thiện quá trình nhũ hóa!

Văn học / Tài liệu tham khảo