Nhũ hóa bằng siêu âm Cavitation
Một loạt các sản phẩm trung gian và tiêu dùng, chẳng hạn như mỹ phẩm và kem dưỡng da, thuốc mỡ dược phẩm, vecni, sơn và chất bôi trơn và nhiên liệu được dựa hoàn toàn hoặc một phần vào nhũ tương. Hielscher sản xuất bộ vi xử lý chất lỏng siêu âm công nghiệp lớn nhất thế giới để nhũ hóa hiệu quả các dòng khối lượng lớn trong các nhà máy sản xuất.
Nhũ tương siêu âm
Trong phòng thí nghiệm, sức mạnh nhũ tương hóa của siêu âm đã được biết đến và áp dụng lâu dài do những lợi ích khác nhau gắn liền với siêu âm đồng nhất và nhũ tương hóa. Nhũ tương siêu âm đáng tin cậy dựa trên việc sử dụng các đầu dò siêu âm, được gọi là sonotrodes. Thông qua đầu dò siêu âm, siêu âm cường độ cao được kết hợp thành chất lỏng và tạo ra cavitation âm thanh. Siêu âm hoặc cavitation âm thanh tạo ra lực cắt cao, cung cấp năng lượng cần thiết để phá vỡ các giọt lớn xuống các giọt kích thước nano. Qua đó, hai hoặc nhiều pha lỏng được trộn lẫn thành một nhũ tương submicron hoặc nano đồng nhất.
Sử dụng các tế bào dòng chảy siêu âm cho phép mở rộng quy mô tuyến tính để sản xuất công nghiệp nhũ tương nano, xử lý các dòng thể tích lớn trong dòng chảy liên tục.
MultiPhaseCavitator: Chèn tế bào dòng chảy Hielscher độc đáo MPC48 là một phụ kiện mạnh mẽ tương thích với lò phản ứng tế bào dòng chảy siêu âm Hielscher. Sử dụng miếng chèn MPC48, pha phân tán được bơm qua 48 ống thông dưới dạng các sợi chất lỏng mỏng vào vùng nóng siêu âm, trong đó pha phân tán và pha liên tục được trộn dưới dạng các giọt nhỏ vào nhũ tương nano. Đọc thêm về chèn tế bào dòng siêu âm MPC48!
Ultrasonicators là đáng tin cậy và hiệu quả trong sản xuất nhũ tương submicron- và nano-kích thước.
Ưu điểm của nhũ tương 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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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!
Chuẩn bị siêu âm nhũ tương dầu trong nước (O / W) (nước đỏ / dầu vàng). Một vài giây sonication biến các pha nước / dầu riêng biệt thành một nhũ tương mịn.
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.
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.
Miniemulsions, có thể được tạo ra một cách hiệu quả bằng siêu âm, tăng cường các phản ứng hóa học. Phản ứng trùng hợp macroemulsion (a) so với trùng hợp miniemulsion (b) [Schork et al. 2005: 136]
nhũ tương nano – Một ứng dụng năng lượng cho ultrasonicators
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.
Nguyên tắc làm việc của nhũ tương siêu âm
Quá trình nhũ tương siêu âm sử dụng các lực xâm thực âm thanh. Xâm thực âm thanh đề cập đến hiện tượng hình thành, tăng trưởng và sụp đổ bùng nổ của các bong bóng nhỏ trong môi trường lỏng chịu sóng siêu âm cường độ cao. Sự nổ tung của các bong bóng này tạo ra độ dốc áp suất và nhiệt độ cục bộ mạnh, có thể tạo ra lực cắt cao, sóng xung kích và máy bay phản lực vi mô có thể phá vỡ các hạt lớn và kết tụ thành các hạt nhỏ hơn. Hình ảnh bên trái cho thấy cavitation siêu âm được tạo ra tại đầu dò của ultrasonicator UIP1000hdT (1000 watt) trong một cột thủy tinh chứa đầy chất lỏng.
Trong nhũ tương hóa và nhũ tương nano, cường độ xâm thực âm thanh đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm kích thước của các giọt trong nhũ tương. Sự sụp đổ của bong bóng xâm thực có thể tạo ra lực cắt mạnh phá vỡ các giọt lớn hơn thành các giọt nhỏ hơn. Hơn nữa, độ dốc áp suất và nhiệt độ cục bộ được tạo ra bởi cavitation cũng có thể thúc đẩy sự hình thành các giọt mới và ổn định nhũ tương.
Khía cạnh độc đáo của xâm thực âm thanh là khả năng cung cấp đầu vào năng lượng cục bộ và cường độ cao cho môi trường lỏng, mà không cần ứng suất cơ học hoặc nhiệt cao. Điều này làm cho nó trở thành một kỹ thuật hấp dẫn để nhũ tương hóa nano, vì nó có thể làm giảm năng lượng đầu vào cần thiết cho quá trình nhũ hóa trong khi đạt được kích thước giọt nhỏ hơn và phân bố kích thước giọt hẹp hơn.
Do những lực siêu âm có thể kiểm soát chính xác này, cavitation âm thanh là một công cụ mạnh mẽ để nhũ tương nano. Khả năng tạo ra đầu vào năng lượng cục bộ và cường độ cao của nó cho phép phá vỡ các giọt lớn hơn tạo thành các giọt có kích thước submicron và nano với hiệu quả rất cao.
Các nghiên cứu về nhũ tương dầu trong nước (pha nước) và nước trong nhũ tương dầu (pha dầu) đã chỉ ra mối tương quan giữa mật độ năng lượng và kích thước giọt (ví dụ: đường kính Sauter). Có một xu hướng rõ ràng về kích thước giọt nhỏ hơn khi tăng mật độ năng lượng (Nhấp vào đồ họa bên phải). Ở mức mật độ năng lượng thích hợp, siêu âm có thể dễ dàng và đáng tin cậy đạt được kích thước giọt trung bình trong phạm vi nano.
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.
MultiSonoReactor MSR-4 là một lò phản ứng đồng nhất nội tuyến công nghiệp thích hợp cho các quá trình nhũ tương hóa (nano) với công suất cao.
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 0.5 đến 1,5mL | N.A. | LọTweeter | 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdT |
| 15 đến 150L | 3 đến 15L / phút | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Văn học / 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.
Sự thật đáng biết
Định nghĩa thuật ngữ “Emulsion”
Nhũ tương là hỗn hợp của hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn, chẳng hạn như dầu và nước.
Nhũ tương có thể là dầu trong nước (nơi các giọt dầu được phân tán trong nước) hoặc nước trong dầu (nơi các giọt nước được phân tán trong dầu). Nhũ tương được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các sản phẩm thực phẩm (như salad trộn và mayonnaise), mỹ phẩm (như kem dưỡng da và kem) và dược phẩm (như vắc-xin).
Chất nhũ hóa hoạt động bằng cách giảm sức căng bề mặt giữa hai chất không thể trộn lẫn (như dầu và nước) trong nhũ tương. Điều này làm giảm xu hướng của hai chất tách ra và cho phép chúng tạo thành một hỗn hợp ổn định.
Làm thế nào là một nhũ tương được thực hiện ổn định?
Nhũ tương được làm ổn định bằng cách ngăn pha phân tán (giọt của một chất lỏng) kết hợp lại và tách khỏi pha liên tục (chất lỏng xung quanh). Một số điểm chính phải được xem xét để đạt được sự ổn định trong nhũ tương:
- Chất nhũ hóa (chất hoạt động bề mặt):
– Vai trò: Chất nhũ hóa là các phân tử có cả hai đầu ưa nước (hút nước) và kỵ nước (đẩy nước).
– Hành động: Chúng làm giảm sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng không thể trộn lẫn và tạo thành một lớp bảo vệ xung quanh các giọt, ngăn chúng kết lại.
– Ví dụ: Lecithin, polysorbates và natri stearoyl lactylate. - Phương pháp cơ học:
Trộn hiệu suất cao: Sử dụng máy trộn cắt cao hoặc chất đồng nhất để phá vỡ các giọt thành kích thước nhỏ hơn, tăng diện tích bề mặt và tăng cường độ ổn định. Sonicators loại đầu dò là một phương pháp tuyệt vời và rất đáng tin cậy sử dụng lực cắt sonomechanic. Những lực cắt siêu âm này phá vỡ các giọt lớn thành các giọt nhỏ và pha trộn các pha không thể trộn lẫn thành một nhũ tương ổn định. - Bộ điều chỉnh độ nhớt:
Chất làm đặc: Tăng độ nhớt của pha liên tục có thể làm chậm sự chuyển động của các giọt, làm giảm khả năng kết hợp.
– Ví dụ: Kẹo cao su Xanthan, kẹo cao su guar và carboxymethyl cellulose. - Chất ổn định:
– Polyme: Polyme có thể cung cấp sự ổn định steric bằng cách tạo thành một lớp dày xung quanh các giọt.
– Ví dụ: Pectin, gelatin và một số protein. - Ổn định tĩnh điện:
– Điện tích: Một số chất nhũ hóa truyền một điện tích lên bề mặt của các giọt, khiến chúng đẩy nhau và do đó làm giảm sự kết hợp.
– Ví dụ: Natri caseinate và lecithin đậu nành. - Kiểm soát nhiệt độ:
– Làm mát: Giảm nhiệt độ có thể làm tăng độ nhớt của pha liên tục và giảm động năng của các giọt, ngăn chặn sự kết tụ.
– Tránh tách pha: Đảm bảo nhiệt độ vẫn nằm trong phạm vi ngăn các thành phần tách ra. - Phụ gia:
– Antioxidants: Ngăn chặn quá trình oxy hóa có thể giúp duy trì tính toàn vẹn của chất nhũ hóa và các thành phần khác.
– Đại lý chelating: Liên kết các ion kim loại có thể làm mất ổn định nhũ tương.
Áp dụng đúng kỹ thuật nhũ hóa, nhũ tương có thể được làm ổn định, đảm bảo rằng hỗn hợp vẫn đồng nhất và giữ được các đặc tính mong muốn theo thời gian.
Chất nhũ hóa ổn định
Nói chung, nhũ tương yêu cầu ổn định bằng cách sử dụng chất nhũ hóa hoặc chất hoạt động bề mặt. Chất nhũ hóa là lưỡng tính - chúng thu hút cả nước và các chất béo. Điều này có nghĩa là chúng có đặc tính ưa nước (ưa nước) và kỵ nước (yêu dầu), cho phép chúng tương tác với cả giai đoạn dầu và nước của nhũ tương. Phần ưa nước của phân tử chất nhũ hóa gắn vào các phân tử nước, trong khi phần kỵ nước gắn vào các phân tử dầu.
Bằng cách bao quanh các giọt dầu với các phân tử chất nhũ hóa, chất nhũ hóa tạo ra một lớp bảo vệ xung quanh các giọt ngăn chúng tiếp xúc với nhau và kết hợp (kết hợp với nhau) để tạo thành các giọt lớn hơn. Điều này giúp giữ nhũ tương ổn định và ngăn ngừa sự phân tách.
Vì sự kết hợp của các giọt sau khi gián đoạn ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước giọt cuối cùng, chất nhũ hóa ổn định hiệu quả được sử dụng để duy trì phân phối kích thước giọt cuối cùng ở mức bằng với phân phối ngay sau khi gián đoạn giọt trong vùng phân tán siêu âm. Chất ổn định thực sự dẫn đến sự gián đoạn giọt bắn được cải thiện ở mật độ năng lượng không đổi.
Ví dụ về các chất nhũ hóa thường được sử dụng bao gồm lecithin (được tìm thấy trong lòng đỏ trứng và đậu nành), mono- và diglyceride, polysorbate 80 và natri stearoyl lactylate.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.