Efecto de los ciclos de temperatura de enfriamiento y calentamiento durante la emulsificación

¿Qué es la reacción de emulsificación?

Emulsificación es el proceso en el que pequeñas gotas de un líquido se dispersan uniformemente en otro líquido inmiscible. Es un fenómeno de interfaz líquido-líquido. Cuando dos líquidos inmiscibles, como el aceite y el agua, se colocan en un recipiente, se separan en dos capas distintas: el aceite, con su menor densidad, flota sobre el agua. Agregar un surfactante apropiado y agitar vigorosamente la mezcla puede dispersar el aceite en el agua para formar una emulsión. Este proceso, conocido como emulsificación, a menudo depende de cambios de temperatura, ajustes de disolventes o transiciones de fase para optimizar la dispersión de las gotas. La curvatura preferida del surfactante cambia durante estas condiciones, lo que facilita la ruptura de las gotas en un estado de alta energía bajo ciclos de temperatura controlados.

Demostración de la separación de dos líquidos inmiscibles, aceite y agua, y el proceso de formación de una emulsión uniforme mediante la adición de surfactantes.

Desafíos globales de eficiencia energética en emulsificación

Global procesos de emulsificación Se producen aproximadamente 100 millones de toneladas de emulsiones al año. Sin embargo, la eficiencia energética de las técnicas de emulsificación tradicionales es alarmantemente baja: menos de 0,011 TP3T para microgotas. Esta eficiencia se reduce aún más para emulsiones submicrónicas, ya que los dispositivos mecánicos de alta presión o alta cizalladura generan un calor excesivo, incompatible con muchos ingredientes farmacéuticos, cosméticos y alimentarios.

Tecnología de autoemulsificación por inversión de fase

Para los aceites no polares con moléculas más grandes, se ha desarrollado la tecnología de autoemulsificación por inversión de fase. Esta técnica se basa en cambios de temperatura o ajustes de concentración de surfactante para modificar la curvatura interfacial preferida. El principio implica un ciclo de temperatura que congela y posteriormente funde las gotitas en una emulsión gruesa, lo que provoca la ruptura espontánea de las gotitas. Los métodos de emulsificación convencionales suelen calentar tanto el interior como el exterior de la emulsión. fases externas a 75°C–90°C antes de agitar y enfriar, lo que consume mucha energía.

El impacto de la temperatura en la calidad de la emulsión

La temperatura de emulsión afecta significativamente la calidad de la emulsión. Si bien no existe un límite estricto de temperatura, se deben considerar factores clave como los puntos de fusión de las sustancias de alto punto de fusión, el tipo de emulsionante y la solubilidad de las fases de aceite y agua. Además, las temperaturas de ambas fases deben permanecer casi idénticas. Por ejemplo, al emulsionar ceras o aceites de alto punto de fusión (por encima de 70 °C), la introducción de una fase acuosa a baja temperatura puede provocar que precipiten cristales de cera o grasa, lo que da como resultado una emulsión gruesa. En general, la emulsión se realiza a 75 °C–85 °C. Para los aceites de alto punto de fusión, es posible que sea necesario aumentar aún más las temperaturas.

Variaciones del tamaño de las partículas con la temperatura

La temperatura de emulsión también puede influir en el tamaño de las partículas de la emulsión. Por ejemplo, los emulsionantes aniónicos de jabón de ácidos grasos producen emulsiones con un tamaño de partículas de aproximadamente 1,8-2,0 μm cuando se emulsionan a 80 °C, en comparación con alrededor de 6 μm a 60 °C. Sin embargo, en el caso de los emulsionantes no iónicos, la temperatura tiene una influencia más débil en el tamaño de las partículas.

Mecanismos de ruptura de gotitas durante ciclos de temperatura

Los ciclos de enfriamiento y calentamiento aplicados a gotas de alcano dispersas inducen transiciones significativas en la forma de las gotas y mecanismos de ruptura:

• M1: Las gotas se rompen espontáneamente durante el enfriamiento.
• M2/M3: Las gotas congeladas se rompen al derretirse.

Las imágenes microscópicas de gotitas en emulsiones de pentadecano estabilizadas con tensioactivo 1.5 wt% C16SorbEO20 revelan cambios estructurales antes y después de los ciclos de temperatura. Estos ciclos, medidos a velocidades de enfriamiento de 0,2 K/min y velocidades de calentamiento de 1,6 K/min, muestran una reducción en los diámetros promedio de las gotitas (por ejemplo, dN50 y d32) a medida que aumenta el número de ciclos de congelación-descongelación (F/T).

Estudio experimental de emulsión a granel

En experimentos de emulsión a granel, se congeló una muestra de 15 ml a 7 °C durante 2 horas, y luego se fundió a 25 °C. Las velocidades iniciales de enfriamiento y calentamiento se midieron a ≈0,4 K/min, disminuyendo gradualmente hasta la temperatura ambiente. Estos ciclos redujeron eficazmente el tamaño de las gotas, lo que destaca su potencial en procesos de emulsión sensibles a la temperatura.

Aplicaciones en todas las industrias

El proceso de autoemulsificación es muy prometedor para producir emulsiones en industrias que requieren un control estricto de la temperatura, como la farmacéutica, la cosmética y la alimentaria. Este enfoque aborda los desafíos que plantean los métodos convencionales, como el alto consumo de energía y los problemas de compatibilidad con ingredientes sensibles.

Eficiencia energética y beneficios ambientales

Al optimizar las velocidades de enfriamiento y calentamiento y los rangos de temperatura, la tecnología puede mejorar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental. Además, este método podría extenderse a otras aplicaciones, como la estabilización de nanodispersiones o la producción de emulsiones complejas para la síntesis avanzada de materiales.

Desafíos y perspectivas futuras

A pesar de su potencial, la autoemulsificación enfrenta ciertas limitaciones. Por ejemplo, su dependencia de rangos de temperatura específicos o surfactantes puede limitar su aplicabilidad en un amplio espectro de materiales. Además, optimizar el proceso para lograr escalabilidad y viabilidad económica requiere más investigación.

Los avances futuros podrían incluir:

• Integración con simulaciones de dinámica molecular para comprender mejor los fenómenos interfaciales.
• Desarrollo de métodos de emulsificación híbridos que combinan la autoemulsificación con técnicas ultrasónicas o mecánicas.
• Exploración de surfactantes amigables con el medio ambiente y sistemas de control de temperatura energéticamente eficientes.

Conclusión

En conclusión, la autoemulsificación impulsada por ciclos de temperatura es una tecnología prometedora para crear emulsiones de alta calidad con mayor eficiencia y sostenibilidad. Al abordar los desafíos actuales y aprovechar enfoques innovadores, esta técnica podría revolucionar los procesos de emulsificación en diversas industrias.

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