Emulgeertechniek.

Een emulsie is een onstabiel systeem, bestaande uit twee vloeistoffen die onderling niet mengbaar zijn. Eén van deze twee vloeistoffen zweeft in de vorm van fijn verdeelde, onzichtbare microdruppeltjes (de z.g. disperse fase) in de andere vloeistof (de z.g. continue fase).Een emulsie is geen oplossing; van een oplossing is sprake wanneer een vloeistof (of vaste stof of gas) zodanig homogeen met een andere vloeistof is gemengd, dat ze in haar moleculen is uiteen gevallen. Ware oplossingen zijn helder.Een emulsie is evenmin een gel; een gel bestaat uit uitgevlokte (gecoaguleerde) deeltjes van plantaardige, dierlijke, minerale of synthetische herkomst. Agar-agar , alginaten, kaoline en bentoniet worden veel als zodanig gebruikt.Tenslotte mogen emulsies niet met suspensies worden verward, alhoewel het raakvlak is dat bij een suspensie de continue fase eveneens uit een vloeistof bestaat; de disperse fase van een suspensie bestaat uit een vaste stof.

Een emulsie is een mengsel van twee vloeistoffen die van nature niet met elkaar in oplossing zijn te brengen, maar die door intensieve mechanische bewerking (dispergeermachine) en toepassing van een geschikte hulpstof (emulgator) "blijvend" verbonden worden. Wanneer bijvoorbeeld olie en water samen in een flesje zijn gebracht en worden geschud, zal spoedig nadat de rust is weergekeerd, een fasescheiding optreden: Het wateraandeel zakt naar de bodem en de olie drijft er bovenop.De twee fasen waaruit emulsies bestaan bezitten helaas tegenovergestelde eigenschappen. Door de druppeltjes van de disperse fase zo klein mogelijk (groot oppervlak) en gelijk van grootte (homogeen) te maken en een kleine hoeveelheid emulgator toe te passen, blijven twee niet mengbare vloeistoffen voor langere tijd stabiel.
Gedispergeerde fase = interne fase.
Continue fase = externe fase of dispergeermiddel.

Voorbeelden van emulsies zijn crèmes, eigeel, mayonaise en melk. Uit deze voorbeelden blijkt dat er natuurlijke en kunstmatige emulsies bestaan. Emulgatoren behoren tot de groep van de oppervlakteactieve stoffen. Het merkwaardige van deze stoffen is dat ze enerzijds wateraantrekkend zijn (hydrofiel) en anderzijds olie aantrekkend (lipofiel). Emulgatoren kunnen wat hun consistentie betreft olieachtig, zalfachtig of wasachtig zijn. Cholesterol en lecithine zijn voorbeelden van natuurlijke emulgatoren.

De eidooier bedient zich van beide emulgatoren en heeft daarmee een zodanige overkill aan emulgatoren aan boord, dat er ook nog een flinke hoeveelheid mayonaise mee gemaakt kan worden. Glycerolmonostearaat en polyoxyethyleenstearaat zijn voorbeelden van emulgatoren die in cosmetische producten worden toegepast; het gaat daarbij veelal om emulsies van water en olie (W/O) of olie en water (O/W). Bij een o/w emulsie bevinden zich micro oliedruppeltjes in water. Olie is hier dus de disperse fase en water de continue fase; het omgekeerde geldt voor een w/o emulsie. Voor de volledigheid moeten ook complexere vormen van emulsies worden genoemd, waarbij een o/w of een w/o emulsie "verpakt" zit in een tweede w/o of o/w emulsie.

Een emulgator stelt men wel voor als een lichaampje op molecuulgrootte met een kop en een staart. De staart is apolair en steekt in het eveneens apolaire oliedruppeltje. De kop is net als water polair en zo wordt ieder oliedruppeltje bedekt door de polaire koppen van de emulgator. Voor een w/o emulsie geldt het omgekeerde verhaal, in de micro waterdruppeltjes steken nu de polaire koppen en de buitenkant bestaat uit apolaire staarten die goed tussen de oliemoleculen passen. Onder de microscoop is het overigens moeilijk te zien met welk type emulsie men van doen heeft. Een o/w emulsie voelt minder vet aan dan een w/o emulsie; een handcrème zal meestal op basis van o/w zijn, een nachtcrème op basis van w/o. Voor een stabiele emulsie moet de deeltjesgrootte van de gedispergeerde fase klein zijn, liefst < 100 nm. Bij de fabricage van crèmes speelt de moderne high shear dispergeermachine dan ook een hoofdrol. Met het verkleinen van de druppeltjes, kan de emulgator een groter oppervlak bezetten en wordt de crème stabieler en voelt fijner en zachter aan.

Ook de homogeniteit van de deeltjesgrootte van de disperse fase speelt een rol. Daar de massa van de druppeltjes gelijk is, zijn ook de onderlinge aantrekkingskrachten gelijk en wordt een evenwichtsituatie tussen de druppeltjes onderling bereikt. Homogeniseren is dus eveneens een belangrijk onderdeel van de productie. De verhouding tussen het water- en het olieaandeel in een emulsie is niet de belangrijkste factor voor het type emulsie dat ontstaat. Zo bestaat mayonaise voor 80% uit olie, maar is het toch een o/w emulsie (oliedruppeltjes fijn verdeeld in waterfase). Een o/w emulsie is min of meer waterverdunbaar en is derhalve beter afwasbaar dan een w/o emulsie. Cosmetische o/w producten worden dan ook als minder vettig ervaren dan w/o producten.

Een andere manier om de twee typen emulsies te herkennen is de elektrische geleidbaarheid van de o/w emulsie. De externe fase van dit emulsietype bestaat immers uit water en is derhalve –tenzij demi water is gebruikt- elektrisch geleidend; dit in tegenstelling tot een w/o emulsie, tenzij aan dit type emulsie elektrolyt is toegevoegd. Het gebruikte emulgatortype en de bewerkingsmethode zijn uiteindelijk bepalend voor het type emulsie dat ontstaat.

Bij de productie van een cosmetische o/w emulsie, zal het mengsel in veel gevallen een stadium doorlopen waarbij de emulsie eigenlijk een w/o emulsie is. Dit gebeurt in het aanvangsstadium van de productie, tijdens het langzaam toevoegen van de waterfase aan het voorliggende mengsel van olie en emulgator. In deze aanvangsfase worden kleine fracties water omgeven door olie. Uiteindelijk kan de olie niet meer water bevatten en lijkt de emulsie uiteen te vallen; een en ander gaat gepaard met een scherpe daling van de viscositeit. Bij dit z.g. inversiepunt is de emulsie van een w/o in een o/w veranderd en kan de resterende hoeveelheid water snel worden toegevoegd.

Emulsies moeten stabiel zijn, geheel vrij van luchtinsluitingen en een constante viscositeit bezitten. De productie van een w/o emulsie vraagt in de regel fors hogere afschuifkrachten dan een o/w emulsie. Viscositeit, stabiliteit en shelf life van een w/o emulsie nemen toe, naarmate intensiever wordt gedispergeerd. Hoe kleiner de druppeltjesgrootte van de disperse fase, des te stabieler de emulsie zal worden.

Voor o/w emulsies geldt dat een te hoge shear belasting tot het "inzakken" van de viscositeit leidt. Voor suspensies geldt dat actieve componenten in vaste vorm zeer fijn en homogeen in de continue fase moeten worden verdeeld. Dit betekent dat een goede proportionele verdeling van zelfs microscopisch kleine deeltjes met een hoge mate van reproduceerbaarheid gegarandeerd moet kunnen worden. Aan de fabrikant van emulgeerinstallaties de eer om binnen één concept, aan alle eisen tegemoet te komen.

Voorbeeld van de productie van een w/o crème:
Het smelten van de vetfase is de eerste stap in het productieproces van een w/o emulsie. Dit kan in de productieketel (processor) zelf worden gedaan, maar om deze ketel te ontlasten, wordt hiervoor meestal een aparte smeltketel gebruikt. In gesmolten toestand wordt de vetfase vervolgens onder invloed van vacuüm naar de procesketel gezogen. Hierna wordt de waterfase met daarin opgeloste en onopgeloste additieven, langzaam vanuit de (verwarmde) waterfaseketel ingezogen of met een pomp gedoseerd. In deze fase van het proces wordt intensief gedispergeerd en draait ook het ankerroerwerk van de processor.

De taak van het ankerroerwerk is naast een goede uitwisseling van warmte tussen product en ketelwand, de macro menging in de ketel te bewerkstellingen. Op deze manier komt de basis of pre- emulsie tot stand. Vervolgens begint het afkoelen tot een waarde -afhankelijk van het product- tussen 55 – 65°C. In deze fase wordt de kwaliteit van het eindproduct in hoge mate door de dispergeermachine bepaald. Om aan de hoogste kwaliteitseisen te kunnen voldoen, is een exacte instelling van de shear belasting op de emulsie van het grootste belang. Het koeltraject wordt hierna verder ingezet tot er bij ca. 40°C temperatuurgevoelige werkzame stoffen en andere additieven kunnen worden toegevoegd. Bij een temperatuur van ronde de 35°C kunnen ook geurstoffen en andere vluchtige additieven worden toegevoegd. Met name deze ingrediënten die een zeer gering aandeel hebben ten opzichte van het totale volume, moeten vanwege de shear gevoeligheid van veel van deze additieven toch homogeen in de emulsie worden verdeeld.

Dit proces kan voor alle emulsies worden toegepast, behalve bij emulsies met een vetzuur en alkali aandeel. Ook o/w emulsies en suspensies vereisen een andere procesvoering, maar bij alle processen worden de stappen verwarmen, koelen en emulgeren toegepast. Uiteindelijk zijn de kwaliteitseisen van alle producten gelijk: Een luchtvrij, homogeen en stabiel eindproduct. De moderne processor biedt de mogelijkheid snel over te kunnen schakelen op intensief mengen, al of niet in combinatie met dispergeren bij lage of zeer hoge shear belasting. Deze eigenschap maakt de industriële processors van IKA geschikt voor de productie van sterk uiteenlopende producten als zware suspensies, viskeuze w/o crèmes en gevoelige o/w emulsies.

J.L. Schappert, consultant.

< Natte procestechniek, meer informatie over emulgeren. >

© 2001, TPE Holland v.o.f.