Эмульгирование — процесс образования эмульсий¶
Эмульгирование — это механический или физико-химический процесс диспергирования одной жидкости в другой несмешивающейся жидкости с образованием гетерогенной системы — эмульсии. В химической и пищевой промышленности под эмульгированием понимают совокупность операций, обеспечивающих создание, стабилизацию и поддержание дисперсной фазы в виде капель размером обычно от 0,1 до 100 мкм. Процесс основан на преодолении межфазного натяжения и требует обязательного присутствия эмульгаторов — поверхностно-активных веществ (ПАВ), снижающих межфазное натяжение и препятствующих коалесценции капель.
¶Физико-химические основы
При контакте двух несмешивающихся жидкостей (например, масла и воды) система стремится к минимуму площади界面, поэтому диспергирование сопровождается ростом свободной энергии. Для создания устойчивой эмульсии необходимо внешнее воздействие — механическое перемешивание, ультразвук, гомогенизация — и одновременное снижение межфазного натяжения с помощью эмульгаторов.
Эмульгаторы адсорбируются на границе раздела фаз и образуют механически прочную плёнку вокруг капель дисперсной фазы. По характеру стабилизации различают:
- ПАВ-стабилизированные эмульсии — стабилизируются молекулами поверхностно-активных веществ;
- коллоидно-дисперсные эмульсии — стабилизируются твёрдыми частицами (метод Пиккера);
- протеиновые эмульсии — стабилизируются белками, формирующими вязкоупругую плёнку на границе фаз.
¶Типы эмульсий
По фазовому составу различают два основных типа эмульсий:
| Тип | Дисперсная фаза | Непрерывная фаза | Обозначение | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Масло в воде (O/W) | масло | вода | O/W | молоко, сливки, майонез |
| Вода в масле (W/O) | вода | масло | W/O | сливочное масло, маргарин, некоторые кремы |
Тип эмульсии определяется соотношением фаз, природой эмульгатора и условиями эмульгирования. Правило Банкрофта гласит, что в большей степени смачивается та фаза, которая станет непрерывной. Для определения типа эмульсии используют метод разбавления, электропроводности и окрашивания.
¶Оборудование и методы эмульгирования
В промышленности и лабораторной практике применяют несколько групп оборудования:
- Роторно-статорные гомогенизаторы — рабочий орган вращается с высокой скоростью внутри неподвижного статора, жидкость проходит через узкие зазоры, где подвергается интенсивному сдвигу и кавитации.
- Коллоидные мельницы — обеспечивают тонкое измельчение за счёт сдвига между дисками или валками.
- Высокочастотные гомогенизаторы — работают по принципу поршневого насоса с соплом, создавая гидродинамический удар.
- Ультразвуковые эмульгаторы — используют кавитацию, вызванную ультразвуковыми колебаниями (частота обычно 20–40 кГц).
- Мембранные и микропористые эмульгаторы — пропускают дисперсную фазу через поры заданного размера, что обеспечивает узкое распределение капель по величине.
Выбор оборудования зависит от требуемого размера капель, вязкости фаз, производительности и необходимой однородности эмульсии.
¶Применение
Эмульгирование широко используется в различных отраслях:
- Пищевая промышленность — производство молочных продуктов, майонеза, маргарина, соусов, кондитерских кремов, мороженого. В пищевых эмульсиях в качестве эмульгаторов применяют лецитин, моно- и диглицериды жирных кислот, полисорбаты, камедь.
- Фармацевтика — приготовление эмульсионных лекарственных форм (суспензий, кремов, мазей), инъекционных эмульсий, пероральных эмульсий для доставки липофильных веществ.
- Косметическая промышленность — кремы, лосьоны, шампуни, декоративная косметика.
- Нефтепереработка — приготовление буровых растворов, эмульсий для нефтедобычи, обработки пластов.
- Химическая промышленность — синтез полимеров в эмульсии (латексы), производство пестицидов, красок, лаков.
¶Эмульгирование в природе и биологии
Эмульсионные процессы играют важную роль в биологических системах. Желчь эмульгирует жиры в тонком кишечнике, что увеличивает площадь поверхности для действия липазы и обеспечивает усвоение липидов. Клеточные мембраны построены по принципу липидных бислоёв, а внутриклеточные органеллы (лизосомы, пероксисомы) представляют собой структуры, близкие к эмульсионным.
¶Основные характеристики эмульсий
Количественно процесс эмульгирования оценивают по следующим параметрам:
- степень дисперсности — средний размер капель и их распределение по величине;
- объёмная концентрация дисперсной фазы (φ) — определяет реологические свойства;
- устойчивость — скорость расслоения (креминга или седиментации), коалесценции и флокуляции;
- вязкость — растёт с увеличением φ и степени дисперсности.
¶Историческая справка
Термин «эмульсия» происходит от латинского emulsus — «выдавленный, доенный». Первые коллоидно-химические исследования эмульсий проведены в конце XIX — начале XX века. Основоположником теории эмульсий считается В. Оствальд, предложивший классификацию дисперсных систем. В СССР крупный вклад в развитие теории эмульгирования внесли А. В. Думанский, Б. Д. Сумин, П. А. Ребиндер, чьи работы посвящены адсорбционным слоям и механике диспергирования.
Источники:
- Ребиндер П. А. «Поверхностные явления в дисперсных системах и физико-химическая механика»
- Сумин Б. Д. «Дисперсные системы в неводных средах»
- Шерман П. «Эмульсии: их свойства и приготовление»
- Думанский А. В. «Эмульсии»
- Библиотека «Химической энциклопедии»
- ГОСТ Р 56792-2015 «Эмульсии нефтяные. Термины и определения»