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Effiziente Emulgierung
Anwendungszweck
Effizientes Emulgieren von Formulierungen mit hohen Viskositätsverhältnissen mit der neuartigen Hochdruckeinheit ATOMIX® HPH.
Herausforderung
Hohe Viskositätsverhältnisse, d. h. Viskosität der dispergierten Phase (Ƞd) / Viskosität der Emulsion (Ƞe) sind schwer zu emulgieren.
Wie haben wir es geschafft?
Bei der Entwicklung eines Emulgierverfahrens sollte die Volumen- und Grenzflächenrheologie der Zielformulierung berücksichtigt werden. So sind beispielsweise Formulierungen mit hohen Viskositätsverhältnissen mit herkömmlichen Methoden besonders schwierig zu emulgieren, da diese viel Energie verbrauchen und die Kontrolle über die Polydispersität begrenzt ist (1). Um dieses Problem zu überwinden, sollten innovative Technologien eingesetzt werden, wenn die Formulierung eine hochviskose dispergierte Phase erfordert.
Die Leidenschaft für Innovation ist eines der Markenzeichen von Kinematica und wird nicht nur auf die bekannten Rotor-Stator-Systeme, sondern auch auf neue Technologien angewandt. So wurde in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich ein neuartiges Hochduckverfahren ATOMIX® HPH mit einem speziellen Design der Arbeitskammer entwickelt.
Die KINEMATICA-Lösung
Wie kann ATOMIX® HPH kleinere Tröpfchengrößen auch bei hohen Viskositätsverhältnissen gewährleisten? Die Arbeitskammer ist speziell für eine große Dehnungsströmung ausgelegt, die für einen effizienten Tropfenaufbruch entscheidend ist.
Ein Tröpfchenaufbruch findet nur statt, wenn die kritische Spannung überschritten werden kann. Es lassen sich drei Mechanismen des Aufbrechens unterscheiden: Scherkräfte in laminarer Strömung, Scherkräfte in turbulenter Strömung und Trägheitskräfte (wie lokale Druckschwankungen) in turbulenter Strömung. Es ist typisch, dass der Aufbruch in turbulenter Strömung mit zunehmender Viskosität der dispergierten Phase schwieriger wird. Daher nimmt die Tröpfchengröße bei konstanter Energiedichte mit steigender Viskosität der dispergierten Phase zu (2).
Die Kombination aus hohem Druck und einem idealen Design der Arbeitskammer ermöglicht im Vergleich zu unseren Wettbewerbern 30 % kleinere Tröpfchen.
Aufgrund des speziellen und neu entwickelten Designs der Arbeitskammer werden die Tropfen in ATOMIX® HPH hauptsächlich durch Dehnungskräfte zerkleinert, die die kritische Spannung schneller übersteigt als gewöhnliche Scherströmungen. Dies führt zu bis zu 30 % kleineren Tröpfchen selbst bei hohen Viskositätsraten!
1 Hofmann, M., Bayles, A. V., & Vermant, J. (2021). Stretch, fold, and break: Intensification of emulsification of high viscosity ratio systems by fractal mixers. AIChE Journal, 67(5). https://doi.org/10.1002/aic.17192
2 Stang, M., Schuchmann, H., & Schubert, H. (2001). Emulsification in High-Pressure Homogenizers. Engineering in Life Sciences, 1(4), 151. https://doi.org/10.1002/1618-2863(200110)1:4<151::AID-ELSC151>3.0.CO;2-D