Почему ультразвук даёт мелкие капли
Эмульсия стабильна только при достаточно мелких каплях. Крупные капли сливаются под действием поверхностного натяжения — это и есть расслоение эмульсии. Механическое перемешивание создаёт капли десятков микрометров, чего часто недостаточно: эмульсия живет дни, а потом разделяется.
Ультразвук работает на других масштабах. Колебания формируют кавитационные полости, которые при схлопывании создают импульсное давление и мелкие струи. В турбулентном потоке крупные капли дробятся, а образовавшиеся мелкие капли сразу стабилизируются поверхностным натяжением на границе раздела фаз.
Результат — капли 0,1–10 мкм при атмосферном давлении и без механического измельчения. Для сравнения: гомогенизатор высокого давления достигает сопоставимых размеров, но при 100–1500 бар и заметном нагреве.
Стабильность результата
Главная проблема эмульгирования — воспроизводимость. У механического перемешивания результат зависит от скорости, порядка подачи фаз, времени и состояния смесителя, поэтому от партии к партии капли получаются разными, а срок хранения меняется.
Ультразвуковой аппарат работает иначе. Акустический поток набирает обе фазы в определённом соотношении и дробит их сразу после смешения, поэтому результат в основном определяется параметрами — мощностью, временем, амплитудой, — а не навыком оператора.
Отдельный параметр — стабильность во времени. Эмульсия с каплями менее 1 мкм может храниться месяцами без консервантов и без стабилизаторов.
Нужны ли ПАВ
Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение и облегчают образование капель, но не заменяют ультразвук. Нужно понимать роль каждого компонента: ПАВ делает капли меньше и защищает их от слияния, ультразвук создаёт капли и перемешивает фазы.
На практике ультразвук часто позволяет снизить дозировку ПАВ в 2–3 раза, поскольку более мелкие капли дают нужную текстуру при меньшем расходе эмульгатора. Но рецептуру всё равно подбирают пробно: слишком мало ПАВ — эмульсия расслаивается, слишком много — эмульсия густая, липкая, избыточно вязкая и дорогая.
Там, где эмульсия нестабильна без стабилизатора, применяют ультразвук в связке с низкой дозировкой ПАВ и, при необходимости, с загустителем.
Что происходит с клетками
Смежная задача — разрушение клеток: ультразвук разрушает клеточные оболочки, высвобождая содержимое клетки в раствор. Из полученной суспензии готовят ферментные препараты, экстракты, питательные среды.
Эта операция проходит на тех же аппаратах, но с режимом, настроенным на разрушение оболочки, а не на дробление жидкости. Мощность, время обработки и тип излучателя выбирают по типу клеток и плотности биомассы.
Применение по отраслям
- Косметика. Кремы, лосьоны, сыворотки, эмульсионные масла. Применяется на холодном этапе без нагрева, поэтому термолабильные активные компоненты не разрушаются.
- Фармацевтика. Инъекционные эмульсии, мази, суспензии — строгий контроль распределения частиц и стерильность.
- Пищевая промышленность. Напитки, майонез, соусы, эмульсии для ингредиентов.
- Химическая промышленность. Эмульсии для полимеризации, латексы, удобрения, герметики.
Объём обработки
Аппараты выпускаются от 250 мл до промышленных объёмов. Лабораторные модели применяются для разработки рецептуры и подбора режима, промышленные — для выпуска партий.
Мы проектируем и производим ультразвуковое оборудование с 1994 года, поставляем аппараты для эмульгирования с настроенной акустической системой и фиксированными параметрами режима.
