Emulgowanie

Emulgowanie to proces, w którym jedna ciecz (faza rozproszona) jest równomiernie rozproszona w drugiej cieczy (faza ciągła). Emulsje są systemami dwufazowymi, w których jedna faza jest rozproszona w postaci kropel lub cząsteczek w drugiej fazie. Przykładem emulsji jest mleko, w którym cząsteczki tłuszczu są rozproszone w wodzie.

Emulgowanie - to operacja fizykochemiczna, w czasie której jest wytwarzana emulsja, tzn. jednorodny układ dyspersyjny, składający się z dwóch cieczy niemieszających się ze sobą [E.H. Lada 2008, s. 65], przy czym co najmniej jedna z nich jest rozproszona w postaci drobnych kropelek w innej, nie mieszającej się z nią cieczy [T. Drapała 1994, s. 137]. Jedna z tych cieczy jest tzw. fazą wewnętrzną (rozproszoną, zdyspergowaną), druga natomiast - fazą zewnętrzną (dyspergującą, ciągłą). W przetwórstwie spożywczym mamy do czynienia z emulsjami złożonymi z fazy tłuszczowej i fazy wodnej. W zależność od wzajemnego układu faz, wielkości rozproszonych cząstek, a także stężenia składników tworzących fazy, rozróżnia się emulsje typu [E.H. Lada 2008, s. 65]:

• olej w wodzie (o/w) - cząsteczki substancji powierzchniowo czynnych spełniających rolę emulgatora są skierowane częścią hydrofilową do środka kropelki wody, natomiast grupy hydrofobowe skierowane są do zewnątrz do fazy olejowej [T. Drapała 1994, s. 138]; fazą ciągłą jest woda, a rozproszoną - tłuszcz (np. majonez, mleko) [E.H. Lada 2008, s. 65],
• woda w oleju (w/o) - cząsteczki emulgatora kierują się swymi grupami hydrofobowymi ku kropli oleju, natomiast grupy hydrofilowe są skierowane na zewnątrz, ku otaczającej je fazie wodnej [T. Drapała 1994, s. 138] fazą ciągłą jest tłuszcz, a rozproszoną - woda (np. masło, margaryna).
• Emulsje należą do układów koloidalnych, mimo że wielkość kuleczek znacznie przekracza 0,1 µm [E.H. Lada 2008, s. 65]. Zemulgowane kropelki cieczy mają zazwyczaj rozmiary większe od rozmiarów cząstek koloidowych, ich średnica bowiem wynosi od 10-7 do 10-4 m. Emulsja stanowi na ogół układ nietrwały, ponieważ małe kropelki cieczy dążą do zlewania się w większe krople uzyskując przez to mniejszą sumaryczną powierzchnię, a tym samym mniejszą energię powierzchniową [T. Drapała 1994, s. 137]. Drobne kropelki tłuszczu mogą być utrzymywane w środowisku wodnym w stanie rozproszenia koloidalnego, jedynie przy udziale cząsteczek mających zdolność zmniejszania napięcia powierzchniowego, czyli [T. Kędryna 2004, s. 119] odpowiednich stabilizatorów, zwanych emulgatorami [T. Drapała 1994, s. 137]. Emulsję wytwarza się za pomocą urządzeń zwanych emulserami (pompy emulsyjne, homogenizatory o różnej konstrukcji). Są to urządzenia z intensywnymi mieszadłami bądź działające na zasadzie przetłaczania mieszaniny przez sita o drobnych oczkach [H. Mikułowska 1995, s. 54-55].
• Emulgatorem jest substancja, która wykazuje rozpuszczalność w obu emulgowanych cieczach [T. Kędryna 2004, s. 119]. Cząsteczka skutecznego środka emulgującego może być opisana jako cząsteczka o jednym końcu rozpuszczalnym w oleju, a drugim końcu rozpuszczalnym w wodzie. Końcem rozpuszczalnym w oleju może być łańcuch alkilowy, a rozpuszczalnym w wodzie - grupa jonowa (np. jon karboksylowy lub amoniowy) albo grupa tworząca wiązania wodorowe, np. grupa wodorotlenowa [L. Pauling, P. Pauling 1983, s. 268-269]. Gdy emulgatorem jest elektrolit, wtedy - na skutek adsorpcji jonów - kropelki cieczy ładują się jednoimiennie i odpychają elektrostatycznie, co chroni je przed łączeniem się w większe krople. Gdy na powierzchni kuleczek cieczy są adsorbowane cząsteczki substancji powierzchniowo czynnych, wtedy następuje obniżenie ich energii powierzchniowej. Wreszcie, gdy na powierzchni kropelek cieczy są adsorbowane substancje wielkocząsteczkowe, mogą one nadawać tym kropelkom pewną trwałość mechaniczną [T. Drapała 1994, s. 137].

Emulgatory można podzielić na 3 grupy: lipofilne koloidy, substancje sproszkowane o właściwościach wysokodyspersyjnych oraz związki powierzchniowo czynne. Najważniejszą grupę stanowią związki powierzchniowo czynne:

• anionowe, np. mydła, siarczany wyższych alkoholi (siarczan cetylosodowy i laurylosodowy), emulgatory fosforanowe (ortofosforany wyższych alkoholi),
• kationowe, np. wyższe alkohole (cetylowy), cholesterol, oksyetylowane wyższe alkohole, estry (stearynian glicerolu), pochodne sorbitanu (estry - Spany i oksyetylowane estry - Tweeny) [E. Bruchajzer 2008, s. 427].

Zastosowania emulsji w różnych branżach przemysłu

Przemysł spożywczy

Emulsje odgrywają kluczową rolę w produkcji margaryn. Składniki takie jak tłuszcze roślinne i mleczne są często wytwarzane w postaci emulsji, co umożliwia uzyskanie odpowiedniej konsystencji i tekstury. Emulsje pomagają również w stabilizacji produktu i zapobiegają oddzielaniu się składników. Dzięki temu margaryny są łatwiejsze w użyciu i mają dłuższą trwałość.

Wiele kremów i sosów spożywczych jest również opartych na emulsjach. Emulsje pozwalają na połączenie różnych składników, takich jak tłuszcze, woda i substancje smakowe, w jednolitą masę. Dzięki temu kremy i sosy mają atrakcyjną konsystencję i są łatwiejsze w aplikacji.

Przemysł farmaceutyczny

Emulsje są szeroko stosowane w produkcji leków doustnych. Dzięki nim możliwe jest połączenie substancji czynnej z innymi składnikami, takimi jak woda i oleje, w celu uzyskania odpowiedniej formy i działania leku. Emulsje mogą również poprawić wchłanianie substancji czynnej przez organizm.

Wiele maści i kremów farmaceutycznych opiera się na emulsjach. Emulsje pomagają w połączeniu substancji leczniczych z bazą, taką jak tłuszcz lub woda, aby uzyskać odpowiednią konsystencję i skuteczność. Emulsje mogą również wpływać na działanie leków poprzez kontrolowane uwalnianie substancji czynnej.

Przemysł kosmetyczny

Emulsje są często stosowane w produkcji kremów i balsamów kosmetycznych. Dzięki emulsjom możliwe jest połączenie składników takich jak woda, tłuszcze, substancje aktywne i emulgatory w jednolitą masę. Emulsje zapewniają odpowiednią konsystencję i łatwość aplikacji produktów kosmetycznych.

Wiele szamponów i żeli pod prysznic opiera się na emulsjach. Emulsje pomagają w połączeniu składników takich jak woda, substancje myjące, oleje i substancje pielęgnujące w jednolitą masę. Emulsje zapewniają odpowiednią konsystencję, łatwość stosowania i skuteczność szamponów i żeli pod prysznic.

Przemysł chemiczny

Emulsje odgrywają ważną rolę w produkcji farb i lakierów. Emulsje umożliwiają połączenie pigmentów, żywic, rozpuszczalników i innych składników w jednolitą masę. Dzięki temu farby i lakiery mają odpowiednią konsystencję, łatwość aplikacji i trwałość.

Wiele środków czyszczących, takich jak płyny do naczyń i detergenty, opiera się na emulsjach. Emulsje pomagają w połączeniu składników czyszczących, wody i innych substancji pomocniczych w jednolitą masę. Emulsje zapewniają skuteczne działanie środków czyszczących i łatwość użycia.

Przemysł farbiarski

Emulsje są szeroko stosowane w produkcji farb i pigmentów. Emulsje umożliwiają połączenie pigmentów, substancji wiążących i innych składników w jednolitą masę. Dzięki temu farby i pigmenty mają odpowiednią konsystencję, łatwość aplikacji i trwałość.

Emulsje są również wykorzystywane w drukowaniu tekstylnym. Emulsje pomagają w połączeniu barwników, substancji wiążących i innych składników w jednolitą masę, która może być stosowana do drukowania na tkaninach. Dzięki emulsjom możliwe jest uzyskanie wyrazistych i trwałych wzorów na tekstyliach.

Przemysł papierniczy

Emulsje są stosowane w produkcji papieru i tektury. Emulsje pomagają w połączeniu włókien celulozowych, wody i innych składników w jednolitą masę, która może być formowana i suszona w celu uzyskania papieru lub tektury o odpowiednich właściwościach.

Emulsje są również wykorzystywane w produkcji farb do druku na papierze. Emulsje umożliwiają połączenie pigmentów, rozpuszczalników, substancji wiążących i innych składników w jednolitą masę, która może być stosowana do drukowania na powierzchni papieru. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wyrazistych i trwałych wydruków.

Przemysł naftowy

Emulsje są stosowane w produkcji niektórych rodzajów paliw. Emulsje olejowo-wodne mogą być stosowane w celu poprawy stabilności paliwa i zmniejszenia emisji zanieczyszczeń. Emulsje mogą również zwiększać skuteczność spalania paliw.

Emulsje są również stosowane w produkcji smarów. Emulsje olejowo-wodne mogą być wykorzystywane do połączenia olejów smarowych z wodą i innymi składnikami. Emulsje smarowe zapewniają odpowiednie właściwości smarno-ciernych i łatwość aplikacji.

Przemysł budowlany

Emulsje są stosowane w produkcji betonu w celu poprawy jego właściwości. Emulsje mogą być stosowane jako dodatki do cementu lub dodawane do mieszanki betonowej w celu poprawy plastyczności, wytrzymałości i innych właściwości betonu.

Emulsje są również wykorzystywane w produkcji tynków i klejów budowlanych. Emulsje mogą być stosowane jako składniki klejów lub dodawane do mieszanki tynkarskiej w celu poprawy przyczepności, elastyczności i innych właściwości tynków.

Przemysł metalurgiczny

Emulsje są stosowane w produkcji inhibitorów korozji. Emulsje mogą zawierać substancje chemiczne, które zapobiegają korozji metalu poprzez tworzenie ochronnej warstwy na powierzchni metalu. Emulsje ułatwiają również aplikację inhibitorów korozji na metal.

Emulsje są również wykorzystywane w produkcji roztworów chemicznych stosowanych w przemyśle metalurgicznym. Emulsje pozwalają na połączenie różnych składników chemicznych, takich jak kwasy, zasady i inhibitory korozji, w jednolitą masę. Dzięki temu możliwe jest łatwiejsze i bardziej precyzyjne stosowanie roztworów chemicznych w procesach metalurgicznych.

Metody emulgowania

Mieszanie mechaniczne

Mieszanie mechaniczne jest jedną z najstarszych i najbardziej powszechnie stosowanych metod emulgowania. Polega ona na mechanicznym wymieszaniu dwóch niezgodnych faz, takich jak woda i olej, w celu uzyskania stabilnej emulsji. Istnieje kilka rodzajów urządzeń, które można wykorzystać do mieszania mechanicznego emulsji.

Mieszadła magnetyczne są popularnym narzędziem stosowanym w laboratoriach do mieszania emulsji. Składają się z magnetycznego wirnika, który obraca się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wirnik umieszczony jest w naczyniu z emulsją, a prędkość obrotowa wirnika pozwala na równomierne wymieszanie faz.

Mieszadła magnetyczne są stosunkowo proste w obsłudze i nie wymagają bezpośredniego kontaktu operatora z mieszaniną. Są one również skuteczne w mieszaniu małych ilości emulsji. Jednak mają swoje ograniczenia, takie jak ograniczona prędkość obrotowa, co może wpływać na efektywność mieszania.

Miksery są bardziej zaawansowanymi urządzeniami, które można stosować zarówno w laboratoriach, jak i w przemyśle. Składają się z wirnika, który obraca się w naczyniu z emulsją, generując siłę ścinającą i turbulencje, które prowadzą do mieszania faz.

Miksery są dostępne w różnych konfiguracjach, takich jak mieszadła przepływowe, mieszadła z turbiną, mieszadła z wirnikiem dyspersyjnym itp. Mają one większą moc i prędkość obrotową niż mieszadła magnetyczne, co pozwala na bardziej efektywne mieszanie większych ilości emulsji.

Emulser

Emulser to urządzenia specjalnie zaprojektowane do emulgowania. Działają one na zasadzie mechanicznego mieszania lub przetłaczania.

Te emulsery wykorzystują wirniki lub mieszadła do generowania turbulencji i sił ścinających, które prowadzą do wymieszania faz. Są one często stosowane w przemyśle spożywczym do produkcji emulsji, takich jak majonez czy sosy.

Emulsery działające na zasadzie mieszania są zazwyczaj bardziej wydajne i precyzyjne niż metody mieszania mechanicznego. Wykorzystują różne konfiguracje wirników i mieszadeł, aby osiągnąć optymalne mieszanie.

Te emulsery wykorzystują pompki lub dysze do generowania wysokiego ciśnienia, które prowadzi do przetłaczania faz przez wąskie przestrzenie. Przetłaczanie pozwala na podzielenie większych kropel jednej fazy na mniejsze krople, co prowadzi do powstania emulsji.

Emulsery działające na zasadzie przetłaczania są często stosowane w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym, gdzie wymagane jest uzyskanie stabilnych i jednorodnych emulsji.

Ultrasonikacja

Ultrasonikacja jest zaawansowaną metodą emulgowania, która wykorzystuje fale ultradźwiękowe do generowania turbulencji i sił kawitacyjnych w emulsji.

Fale ultradźwiękowe generują cykle rozprężania i kompresji, które prowadzą do powstania mikropęcherzyków w emulsji. Gwałtowne implozje tych pęcherzyków generują siły ścinające i turbulencje, które rozpadają większe kropelki na mniejsze.

Ultrasonikacja jest szeroko stosowana w przemyśle, zwłaszcza w produkcji emulsji o wysokiej jakości. Jest efektywna w mieszaniu faz o różnych gęstościach i lepkościach, a także w uzyskiwaniu emulsji o małych rozmiarach kropelek.

Mikroemulgowanie

Mikroemulgowanie to proces tworzenia stabilnych mikrokropelek w emulsji. Jest to szczególnie istotne w przemyśle farmaceutycznym, gdzie wymaga się jednorodnych i trwałych emulsji.

Mikroemulgowanie wykorzystuje specjalne emulgatory i techniki mieszania, aby uzyskać drobne krople o jednorodnym rozmiarze. Stabilność mikrokropelek jest kluczowa dla utrzymania jakości i wydajności emulsji.

Mikroemulsje farmaceutyczne są coraz bardziej popularne ze względu na swoje unikalne właściwości. Mają one lepszą biodostępność, stabilność i możliwość kontrolowanego uwalniania substancji czynnej. Mikroemulgowanie jest szeroko stosowane w produkcji leków doustnych, kremów i innych produktów farmaceutycznych.

Inwersja fazy

Inwersja fazy jest dodatkowym etapem w procesie emulgowania emulsji typu woda w oleju. Polega ona na kontrolowanym odwróceniu proporcji faz, aby uzyskać pożądany efekt.

Inwersja fazy jest często stosowana w produkcji kosmetyków, gdzie emulsje typu woda w oleju są powszechne. Polega na zmianie proporcji wody do oleju, aby uzyskać odpowiednią konsystencję i teksturę produktu.

Emulgatory odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu inwersji fazy. Poprzez odpowiednie dobranie emulgatorów i warunków mieszania, można uzyskać stabilne emulsje typu woda w oleju o pożądanych właściwościach.

Emulgowanie — artykuły polecane

Koagulacja — Lipoliza — Antystatyki — Dehydratacja — Lico skóry — Kalorymetria — Pieczywo — Blocking — Celuloid

Bibliografia

• Drapała T. (1994), Chemia dla szkół przemysłu spożywczego, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa
• Duda I. (red.) (1995), Słownik pojęć towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków
• Gilewicz, P., Tal-Figiel, B., Figiel, W., & Kwiecień, M. (2012). Nowoczesne rozwiązania w zakresie wytwarzania i kontroli jakości emulsji. Czasopismo Techniczne. Chemia, 109(2-Ch), 25-40
• Kędryna T. (1994), Chemia ogólna z elementami biochemii dla studentów kierunków medycznych i przyrodniczych, ZamKor, Kraków
• Pauling L., Pauling P. (1983), Chemia, PWN, Warszawa
• Piotrowski J. (red.) (2009), Podstawy toksykologii. Kompendium dla studentów szkół wyższych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa

Autor: Natalia Kozik