Czynniki wpływające i zalety sprzętu do emulgowania ultradźwiękowego do wytwarzania emulsji

Emulsja to dyspersja dwóch niemieszających się cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej w postaci drobnych kropelek lub cząstek, tworząc zmieszaną ciecz. Proces rozpraszania jednej niemieszającej się cieczy w innej niemieszającej się cieczy nazywa się emulgowaniem. Tworzenie emulsji wymaga niezbędnego procesu emulgowania cieczy, który wykorzystuje mechaniczne ścinanie do rozbijania rozproszonej fazy dużych kropelek w fazie ciągłej.

balsam

Emulgowanie ultradźwiękowe jest technicznym środkiem emulgowania, to znaczy wibracje o wysokiej częstotliwości są nakładane na głowicę narzędzia przez przetwornik ultradźwiękowy, tak że dwie niemieszające się ciecze są mieszane w celu utworzenia emulsji. W porównaniu z tradycyjnymi technikami emulgowania, tj. zwykłym mechanicznym mieszaniem, sonikacja może generować kropelki o mniejszych rozmiarach, a fakoemulsyfikacja zazwyczaj wymaga mniejszych ilości środka powierzchniowo czynnego, aby zapewnić stabilną emulsję niż inne techniki.

01

Czynniki wpływające na emulgację ultradźwiękową

Różne czynniki, które wpływają i kontrolują sonikację, obejmują moc ultradźwiękową, czas, częstotliwość sonikacji i temperaturę emulsji.

częstotliwość dźwięku

Częstotliwość od 20 do 40 kHz wytwarza najlepszą emulgację, to znaczy przy niższych częstotliwościach siła ścinająca ma większy wpływ na emulgowanie. Wraz ze wzrostem częstotliwości ultradźwiękowej zmniejsza się czas potrzebny na rozszerzanie się i zapadanie pęcherzyków, zmniejszając w ten sposób stopień ścinania. Przy wyższych częstotliwościach próg kawitacji wzrasta, a proces sonikacji jest mniej wydajny, ponieważ do zainicjowania kawitacji potrzebna jest większa moc. Sprzęt do emulgowania ultradźwiękowego można wybrać z częstotliwością od 20 do 40 kHz, a głowice narzędzi o różnej częstotliwości można wybrać w zależności od konkretnego zastosowania.

Moc ultradźwiękowa

Moc ultradźwiękowa jest jednym z głównych czynników kontrolujących wydajność emulgowania emulsji. Wraz ze wzrostem mocy ultradźwiękowej zmniejsza się wielkość kropli rozproszonej fazy. Jednakże, gdy pobór mocy jest większy niż 200 W, mniejsze kropelki emulsji łączą się w większe kropelki. Wynika to z dużej liczby pęcherzyków kawitacyjnych, niezwykle wysokiej gęstości energii, zwiększonego stężenia kropel i wysokiej częstości zderzeń między kropelkami w tych warunkach. Dlatego bardzo ważne jest określenie optymalnej mocy podczas fakoemulsyfikacji. Wraz ze wzrostem czasu homogenizacji wzrasta również generowanie małych kropelek. Przy tej samej gęstości energii można porównać dwie techniki emulgowania, aby zbadać ich skuteczność w stabilnym tworzeniu emulsji.

Temperatura roztworu

Podczas fakoemulsyfikacji umiarkowany wzrost temperatury roztworu powoduje zmniejszenie napięcia międzyfazowego i lepkości roztworu, ułatwiając mieszanie i zwiększając liczbę pęcherzyków kawitacyjnych. Trendy te są bardzo korzystne dla całego procesu emulgowania. Jednak wpływ stale rosnącej temperatury na emulgowanie może być również szkodliwy: liczba jąder kawitacyjnych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a ciśnienie powietrza wewnątrz pęcherzyków również wzrasta, co powoduje tłumienie fali uderzeniowej i tworzenie dużej liczby pęcherzyków. Zmniejsza to maksymalne ciśnienie osiągane podczas implozji pęcherzyka. Ze względu na zwiększoną ilość parowania w pęcherzykach, zapadanie się pęcherzyków staje się mniej gwałtowne, co prowadzi do zmniejszenia sił ścinających i wydajności emulgowania.

Czas sonikacji

Ogólnie rzecz biorąc, wydłużenie czasu fakoemulsyfikacji powoduje zmniejszenie wielkości rozproszonych kropel fazy. Z biegiem czasu ilość energii ultradźwiękowej w roztworze również wzrosła, co spowodowało wzrost liczby złamanych kropelek i zmniejszenie wielkości kropelek emulsji. Jednak po pewnym czasie przetwarzania, tj. Przekraczając optymalny czas przetwarzania, mniejsze kropelki połączą się w większe kropelki ze względu na częstość występowania wysokich stężeń kropel i kolizji między kropelkami.

02

Zalety emulgowania ultradźwiękowego

W przeciwieństwie do tradycyjnych technik i sprzętu do emulgowania, korzyści z fakoemulsyfikacji są oczywiste.

Popraw efekt emulgowania

W zależności od wielkości kropli fazy rozproszonej emulsje można podzielić na mikroemulsje (10–100 nm), nanoemulsje (100–1000 nm) i makroemulsje (0,5–100 μm). Ultradźwięki są skuteczną metodą zmniejszania wielkości cząstek dyspersji i emulsji. Sprzęt do emulgowania ultradźwiękowego może otrzymywać emulsje o małym rozmiarze cząstek (tylko 0,2-2 μm) i wąskim rozkładzie wielkości kropel (0,1-10 μm), a zastosowanie emulgatorów może również zwiększyć stężenie emulsji o 30% do 70%.

Zwiększona stabilność emulsji

Zasadniczo emulsje są kinetycznie niestabilne, nie tworzą się spontanicznie i dzielą się na fazy składowe, jeśli ich stabilność nie jest kontrolowana. Dlatego, w celu ustabilizowania nowo powstałych kropelek fazy rozproszonej przed koalescencją, do emulsji dodaje się emulgatory i stabilizatory. Fakoemulsyfikacja wymaga niewielkiego lub żadnego emulgatora w celu uzyskania stabilnych emulsji. Po sonikacji emulsja może pozostać stabilna przez kilka miesięcy lub ponad pół roku.

Kontroluj rodzaj emulsji

W pewnych warunkach zarówno emulsje typu "woda w oleju", jak i "olej w wodzie" mogą być wytwarzane technikami ultradźwiękowymi. Tradycyjna metoda emulgowania może kontrolować właściwości emulsji tylko poprzez dodanie emulgatora, a rodzaju emulsji nie można zmienić po prostu metodami mechanicznymi. Sprzęt do emulgowania ultradźwiękowego sprawia, że proces emulgowania jest wygodniejszy i bardziej elastyczny.

Niski pobór mocy

Zużycie energii przez emulgowanie ultradźwiękowe jest mniejsze, a zużycie energii wymagane do wytworzenia tej samej objętości emulsji jest mniejsze niż w homogenizatorze wysokociśnieniowym. Do produkcji emulsji o wydajności 4,55 m3/h i kropelek o wielkości 1 μm, takich jak zastosowanie technologii emulgowania ultradźwiękowego, można wymagać tylko siły napędowej 57 HP przy ciśnieniu roboczym 10,514,1 kg /cm2, ale homogenizator wysokociśnieniowy wynosi 70,3351,6 kg. Jednak siła napędowa 4050 KM jest wymagana przy ciśnieniu roboczym / cm2, więc zastosowanie technologii fakoemulsyfikacji może zmniejszyć duże zużycie energii.

Poprawa efektywności emulgowania

Emulsyfikacja ultradźwiękowa może wytwarzać emulsje, których nie można wyprodukować zwykłymi metodami emulgowania. Wraz ze wzrostem gęstości energii zmniejsza się rozmiar kropli. Przy odpowiednich poziomach gęstości energii technologia fakoemulsyfikacji może osiągnąć średni rozmiar kropel mniejszy niż 1 μm. Ultradźwięki przyspieszają cały proces emulgowania i wytwarzają emulsję o wyższej czystości.