تولید نانو امولسیون پایدار به کمک هموژنایزر فشار بالا

مقدمه ای درباره تولید نانو امولسیون

امولسیون شامل دو مایع غیر محلول در یکدیگر می باشد به طوری که یک مایع به صورت قطرات ریز در مایع دیگر پراکنده می شود، امولسیونها در صنایع غذایی از جمله صنایع شیر، نوشیدنی، انواع سس ها و دسرها، کره مارگارین کاربرد وسیعی دارند. اکثر مواد غذایی شامل امولسیونهای متداول آب در روغن یا روغن در آب هستند ولی امروزه تولید نانو امولسیونها با استفاده از هموژنایزرهای فشار بالا در صنایع غذایی بسیار پرکاربرد است.

علت اصلی استفاده از نانوامولسیونها در صنایع غذایی ، بهبود بافت، خواص ضد میکروبی، افزایش پایداری و غنی سازی است. نانوامولسیونها با چشم غیرمسلح هم قابل مشاهده اند و پایداری بالایی دارند. در این مقاله به تولید نانو امولسیون با استفاده از میکسر هموژنایزر فشار بالا می پردازیم.

بطور کلی امولسیونها بر اساس ویژگی های فاز پراکنده، به دو گروه روغن در آب و آب در روغن تقسیم می شوند. در امولسیون روغن در آب، قطرات روغن در فاز آبی پراکنده می شود، اما در امولسیون آب در روغن، ، قطرات آب فاز پراکنده بوده و روغن فاز پیوسته است. شیر یک نمونه امولسیون روغن در آب است. کره و مارگارین امولسیون آب در روغن هستند. امولسیون معمولی که به نام ماکروامولسیون خوانده می شود، دارای قطراتی با قطر متوسط بین 100 میکرومتر تا 100 نانومتر می باشد.

این امولسیونها از نظر ظاهری کدر هستند چون اندازه قطر ذراتشان در حد طول موج نور می باشد. این نوع امولسیونها از نظر ترمودینامیکی هم ثبات ندارند. متوسط سایز ذرات میکروامولسیونها بین 20 تا 100 نانومتر است و این دسته شفاف یا کمی کدر هستند چون سایز ذراتشان کمی از طول موج نور کمتر است، اما این سیستم از نظر ترمودینامیکی همچنان ناپایدار است. نانو امولسیونها از نظر ترمودینامیکی پایدارند و سایز ذراتشان بین 5 تا 50 نانومتر است. چون این اندازه از طول موج نور بسیار کمتر است، شفافند.

  اجزای تشکیل دهنده در تولید نانو امولسیون

بعد از ساخت نانو امولسیون اجزای تشکیل آن عبارت است از:

فاز روغنی: فاز روغنی شامل ترکیبات زیست فعال روغنی از جمله روغن ماهی، اسانسهای روغنی، طعم دهنده های روغنی و ویتامینها می باشد که در روغن حامل حل شده اند، به طور کلی روغن های مختلفی در تولید نانو امولسیون متداول می باشند از جمله آسیل گریسرول، اسید چرب آزاد، اسانس های روغنی، روغن های معدنی، مومها که از بین آنها تری گلیسیریدها به علت ارزان، غیر سمی بودن و فراوان بودن منابع خام آن (روغن سویا، آفتابگردان، روغن ذرت و کانولا) کاربرد بسیاری دارند.

قطبیت روغنهای گیاهی معمولا خیلی پائین است ولی ویسکوزیته نسبتا بالایی دارند. بنابراین برای ساخت نانو امولسیون با استفاده از میکسر هموژنایزر فشار بالا مناسب نیست. 

فاز آبی: فاز آبی معمولا آب است و جزء ترکیبات غیر قابل جایگزین در تولید نانو امولسیون می باشد. نسبت آب به روغن، فاکتور مهمی در تشکیل و ثبات نانو امولسیون است ترکیبات دیگری که بنا به فرمول می توانند در فاز آبی موجود باشند عبارتند از: پلی ساکاریدها، کوسورفکتانتها، پروتئینها، نمکها و ترکیبات مغذی،…

وجود ترکیباتی مثل پروتئین، پکتین، صمغ آگار، آلرژینات و دیگر پلی ساکاریدها با افزایش ویسکوزیته موجب افزایش پایداری نانو امولسیون می شوند. پروتئین های نامحلول در آب مانند پرتئین سویا و کازئین، اغلب به عنوان سورفکتانت به همراه بقیه سورفکتانتها در فاز روغنی کاربرد دارند.

 تثبیت کننده: برای تشکیل و افزایش پایداری نانوامولسیونها باید از یک تثبیت کننده یا همان امولسیفایر استفاده کرد تا قطرات ریز در هنگام هموژن شدن در یک نقطه تجمع نکنند. 

امولسیفایر: امولسیفایرها ترکیبات فعال سطحی هستند که هر دو قسمت آب دوست و روغن دوست را در خود دارند. بنابراین یک قسمت آن به فاز غیر قطبی (فاز روغنی) و قسمت دیگر آن به فاز قطبی (فاز آبی) وابسته است. امولسیفایر در سطح بین آب و روغن جذب می شود و از تجمع قطرات روغن جلوگیری می کند و علاوه بر این با کاهش کشش سطحی باعث افزایش پراکندگی قطرات در حین هموژن شدن می شود . استفاده از هموژنایزر فشار بالا در صنایع غذایی منجر به استفاده از امولسیفایرهای معمولی با درصد و قیمت کمتری می شود که باعث مقرون به صرفه تر شدن هزینه تولید نانو امولسیون می گردد.

اصلاح کننده بافت: هیدروکلوئیدها از طریق اصلاح رئولوژی در ایجاد پایداری نانوامولسیونها بسیار موثرند، به عبارت دیگر این مواد تاثیر زیادی در غلیظ شدن یا ژلی شدن فاز آبی دارند و بدین وسیله مانع جدا شدن گرانشی دو فاز از همدیگر شده و به تولید نانو امولسیون پایدار کمک می کند.

 روشهای تولید نانو امولسیون

به طور کلی روش تولید نانو امولسیون  به دو دسته روش های پرانرژی و کم انرژی تقسیم بندی می شود. در روش پرانرژی از ابزارهای با انرژی مکانیکی بالا استفاده می شود و به این وسیله نیروی مورد نیاز برای تشکیل ذرات در ابعاد نانو تامین می شود در این روش، نوع ابزار مورد استفاده و فاکتورهایی مثل، دما ، زمان و خواص مواد اولیه نیز می تواند در اندازه نهایی ذرات موثر باشد.

در روشهای کم انرژی، در تولید نانو امولسیون تمرکز بر روی تشکیل سایز ذرات مطلوب با استفاده از خواص فیزیکی و شیمیایی سوفکتنت و امولسیفایر و همچنین تغییر نوع روغن می باشد، بطوری که بهترین سایز ذرات را بتوان از آن دریافت کرد. از آنجایی که روشهای کم انرژی باعث محدود شدن دامنه انتخاب فرمولاتور و بعضا گران شدن قیمت محصول نهایی می شود، امروزه تمایل به سمت استفاده از روشهای پرانرژی بیشتر شده است. لذا در این مقاله به مقایسه دو ابزار رایج  پرانرژی شامل میکسر هموژنایزر برش بالا و میکسر هموژنایزر فشار بالا پرداخته می شود.

میکسر هموژنایزر برش بالا

این روش در طیف گسترده ای از صنایع از جمله صنایع غذایی، دارویی و لوازم آرایشی کاربرد دارد و روشی استاندارد برای تولید نانو امولسیون هایی با ویسکوزیته متوسط تا بالا است. همانطور که در تصویر قابل رویت است، این دستگاه دارای یک روتور و استاتور بوده که قسمت استاتور ایستا و روتور متحرک است، با چرخش روتور، مکشی در پمپ هموژنایزر ایجاد شده که مواد به سمت روتور و استاتور هدایت می شود. به این ترتیب با عبور مواد از فاصله میکرونی بین روتور و استاتور، سایز ذرات ریز می شود و سپس از آن خارج می شود. 

میکسر هموژنایزر فشار بالای شرکت فناوران صادق اسپادانا در تولید نانو امولسیون 

این روش یکی از متداولترین روشها در صنعت برای ساخت نانو امولسیون می باشد که معمولا برای ریز کردن قطرات امولسیون بکار می رود. بطور کلی این روش شامل دو مرحله است و در مرحله اول نسبت سطح به حجم ذرات افزایش یافته و در مرحله دوم با استفاده از جذب امولسیفایر، ذره با سایز کوچک شده در فصل مشترک دو فاز توسط امولسیفایر، پایدار می شود.

نمونه هایی با ابعاد یک نانومتر را می توان توسط این دستگاه تولید کرد. مایع از قبل امولسیون شده توسط نیروی پمپ و از طریق دریچه هایی با شکاف 10 تا 100 میکرومتر و تحت فشار بسیار بالا که معمولا بین 50 تا 200 مگا پاسگال است، تشکیل نانو امولسیون می دهد. در تصویر زیر نمایی کلی از این دستگاه مشاهده می شود.

با ورود مایع به دریچه، سرعت آن بسیار افزایش می یابد و تا حدود 100 متر بر ثانیه می شود، سرعت محلی بالا باعث کاهش فشار منظقه ای به زیر نقطه فشار بخار می شود و این اتفاق منجر به ایجاد حفره های حباب می گردد و این حبابها به سمت پائین تر و دریچه حرکت می کنند که در آنجا با فشار محلی بالا روبرو می شوند و  منفجر می گردند.

این انفجار باعث فرستادن امواج قوی می شود، وقتی جریان در شکاف باریک در حال عبور است خطی و گذرا می باشد ولی وقتی از شکاف باریک خارج می شود و به محفظه بزرگی می رسد و جریان را به یک جت قوی و آشفته تبدیل می کند وهمین اتفاق باعث شکستن و کوچک شدن قطرات می شود، هموژنایزر با فشار بالا در ساخت و تولید نانو امولسیون بسیار کارآمد است  ولی به انرژی زیادی برای تشکیل ذرات نانو امولسیون احتیاج دارد. 

شرکت فناوران صادق اسپادانا با تمرکز بر روی طراحی و ساخت دستگاههای تولید نانو امولسیون ها و سوسپانسیون ها، ساخت میکسر هموژنایزر فشار بالا را هم در گستره فعالیت خود قرار داده و امکان اخذ سفارش ساخت این دستگاه از ابعاد آزمایشگاهی تا صنعتی را دارد.