Fattori di influenza e vantaggi delle apparecchiature di emulsione ad ultrasuoni per la produzione di emulsione

Un'emulsione è una dispersione di due liquidi immiscibili, uno dei quali viene disperso nell'altro sotto forma di goccioline fini o particelle, formando un liquido misto. Il processo di dispersione di un liquido immiscibile in un altro liquido immiscibile è chiamato emulsione. La formazione di emulsioni richiede il necessario processo di emulsificazione liquida, che utilizza il taglio meccanico per rompere la fase dispersa di grandi goccioline nella fase continua.

lozione

L'emulsificazione ad ultrasuoni è un mezzo tecnico di emulsificazione, cioè la vibrazione ad alta frequenza viene applicata alla testa dell'utensile attraverso un trasduttore ad ultrasuoni, in modo che due liquidi immiscibili vengano miscelati per formare un'emulsione. Rispetto alle tecniche di emulsificazione tradizionali, cioè l'agitazione meccanica ordinaria, la sonicazione può generare goccioline di dimensioni più piccole e la facoemulsificazione richiede in genere quantità inferiori di tensioattivo per fornire un'emulsione stabile rispetto ad altre tecniche.

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Fattori che influenzano l'emulsificazione ad ultrasuoni

Vari fattori che influenzano e controllano la sonicazione includono la potenza ultrasonica, il tempo, la frequenza di sonicazione e la temperatura dell'emulsione.

frequenza sonora

La frequenza da 20 a 40 kHz produce la migliore emulsione, cioè a frequenze più basse, la forza di taglio ha un effetto maggiore sull'emulsione. All'aumentare della frequenza ultrasonica, il tempo necessario affinché le bolle si espandano e collassino diminuisce, riducendo così il grado di taglio. A frequenze più elevate, la soglia di cavitazione aumenta e il processo di sonicazione è meno efficiente in quanto è necessaria più potenza per avviare la cavitazione. Le apparecchiature di emulsificazione ad ultrasuoni possono essere selezionate da 20 a 40 kHz di frequenza e diverse teste utensile di frequenza possono essere selezionate in base all'applicazione specifica.

Potenza ultrasonica

La potenza ultrasonica è uno dei principali fattori che controllano l'efficienza di emulsione dell'emulsione. All'aumentare della potenza ultrasonica, la dimensione delle gocce della fase dispersa diminuisce. Tuttavia, quando l'ingresso di potenza è superiore a 200 W, le goccioline di emulsione più piccole si aggregano in goccioline più grandi. Ciò è dovuto al gran numero di bolle di cavitazione, alla densità di energia estremamente elevata, all'aumento della concentrazione di goccioline e agli alti tassi di collisioni tra goccioline in queste condizioni. Pertanto, è molto importante determinare la potenza ottimale durante la facoemulsificazione. Con l'aumentare del tempo di omogeneizzazione, aumenta anche la generazione di piccole goccioline. Alla stessa densità di energia, le due tecniche di emulsione possono essere confrontate per esaminare la loro efficienza nella formazione stabile dell'emulsione.

Temperatura della soluzione

Durante la facoemulsificazione, un moderato aumento della temperatura della soluzione si traduce in una diminuzione della tensione interfacciale e della viscosità della soluzione, rendendo più facile la miscelazione e aumentando il numero di bolle di cavitazione. Queste tendenze sono molto vantaggiose per il processo di emulsificazione complessivo. Tuttavia, l'effetto del continuo aumento della temperatura sull'emulsione può anche essere dannoso: il numero di nuclei di cavitazione aumenta con l'aumentare della temperatura e aumenta anche la pressione dell'aria all'interno delle bolle, con conseguente attenuazione dell'onda d'urto e creazione di un gran numero di bolle. Questo riduce la pressione massima raggiunta quando la bolla implode. A causa della maggiore quantità di evaporazione nelle bolle, il collasso delle bolle diventa meno violento, il che porta a una riduzione delle forze di taglio e all'efficienza di emulsione.

Tempo di sonicazione

In generale, un aumento del tempo di facoemulsificazione si traduce in una diminuzione delle dimensioni delle goccioline di fase disperse. Nel corso del tempo, anche la quantità di energia ultrasonica nella soluzione è aumentata, con conseguente aumento del numero di goccioline rotte e diminuzione delle dimensioni delle goccioline di emulsione. Tuttavia, oltre un certo tempo di elaborazione, cioè superando il tempo di elaborazione ottimale, le goccioline più piccole si fonderanno in goccioline più grandi a causa della prevalenza di alte concentrazioni di goccioline e collisioni tra goccioline.

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Vantaggi dell'emulsione ad ultrasuoni

A differenza delle tecniche e delle attrezzature tradizionali di emulsione, i vantaggi della facoemulsificazione sono evidenti.

Migliora l'effetto di emulsione

A seconda della dimensione delle goccioline della fase dispersa, le emulsioni possono essere classificate in microemulsioni (10-100 nm), nanoemulsioni (100-1000 nm) e macroemulsioni (0,5-100 μm). Gli ultrasuoni sono un metodo efficace per ridurre la dimensione delle particelle di dispersioni ed emulsioni. Le apparecchiature di emulsificazione ad ultrasuoni possono ottenere emulsioni con particelle di piccole dimensioni (solo 0,2-2 μm) e distribuzione delle dimensioni delle goccioline strette (0,1-10 μm) e l'uso di emulsionanti può anche aumentare la concentrazione dell'emulsione dal 30% al 70%.

Maggiore stabilità dell'emulsione

Essenzialmente, le emulsioni sono cineticamente instabili, non si formano spontaneamente e si separano nelle loro fasi costitutive se la loro stabilità non è controllata. Pertanto, al fine di stabilizzare le goccioline appena formate della fase dispersa contro la coalescenza, emulsionanti e stabilizzanti vengono aggiunti all'emulsione. La facoemulsificazione richiede poco o nessun emulsionante per ottenere emulsioni stabili. Dopo la sonicazione, l'emulsione può rimanere stabile per diversi mesi o più di sei mesi.

Controllare il tipo di emulsione

In determinate condizioni, entrambi i tipi di emulsioni "acqua-in-olio" e "olio-in-acqua" possono essere prodotti con tecniche ad ultrasuoni. Il metodo di emulsione tradizionale può controllare le proprietà dell'emulsione solo aggiungendo un emulsionante e il tipo di emulsione non può essere modificato semplicemente con metodi meccanici. Le apparecchiature di emulsificazione ad ultrasuoni rendono il processo di emulsificazione più comodo e flessibile.

Basso consumo energetico

Il consumo energetico dell'emulsificazione ad ultrasuoni è inferiore e il consumo energetico necessario per produrre lo stesso volume di emulsione è inferiore a quello di un omogeneizzatore ad alta pressione. Per produrre un'emulsione con una capacità di 4,55 m3/h e goccioline di dimensioni 1 μm, ad esempio utilizzando la tecnologia di emulsificazione ad ultrasuoni, può essere necessaria solo una forza motrice di 57 HP a una pressione di esercizio di 10,514,1 kg / cm2, ma un omogeneizzatore ad alta pressione è di 70,3351,6 kg. Tuttavia, è necessaria una forza motrice di 4050 HP a una pressione di esercizio di / cm2, quindi l'uso della tecnologia di facoemulsificazione può ridurre molto il consumo di energia.

Migliorare l'efficienza dell'emulsione

L'emulsificazione ad ultrasuoni può produrre emulsioni che non possono essere prodotte con metodi di emulsione ordinari. All'aumentare della densità di energia, la dimensione delle goccioline diminuisce. A livelli appropriati di densità di energia, la tecnologia di facoemulsificazione può raggiungere dimensioni medie delle goccioline inferiori a 1 μm. Gli ultrasuoni rendono più veloce l'intero processo di emulsione e producono un'emulsione di maggiore purezza.