Nauwkeurig olie en water mengen

Mayonaise, melk, haarconditioner en medicinale zalf: allemaal voorbeelden waarin olie en water worden gemengd. Maar olie en water mengen eigenlijk niet goed. Aan de Universiteit Wageningen is een chip ontwikkeld die heel nauwkeurig dit soort emulsies kan maken. ‘Elke substantie die we toevoegen aan de chip, is ermee te mengen.’

Read this highlight
  • EN
  • NL
  • Select other language

De EDGE (Edge-based Droplet GEneration) chip van hoogleraar Karin Schroën en promovendus Sami Sahin is feitelijk een dikke zeef, leggen ze uit. ‘Hij bestaat uit meerdere lagen van microkanaaltjes. In een bescheiden productievolume kunnen we met onze chip twintig kubieke meter per uur aan product maken, met oliepercentages oplopend tot dertig procent,’ vertelt de promovendus. ‘En we hebben al laten zien dat het mogelijk is om oliedruppels te maken die allemaal precies tien micrometer groot zijn.’ Met de EDGE-chip is het mogelijk zelf in te stellen hoe groot de druppels worden.

Romige smaak met minder vet

De afmetingen van de oliedruppels zijn voor uiteenlopende toepassingen van belang. Voor voedsel geldt bijvoorbeeld dat de grootte van de oliedruppels bepaalt hoe romig het product smaakt. Omdat er met de huidige mengmethoden niet alleen romig smakende grote oliedruppels ontstaan, maar ook minder gewenste kleinere exemplaren, voegen fabrikanten nu vaak iets meer olie toe dan nodig is om verzekerd te zijn van de gewenste smaak. Met de Wageningse chip worden alle oliedruppels exact even groot. Zo kun je eenzelfde romige smaak bereiken met minder vet.

Geen overdosering bij medicijnen

Ook voor de productie van medicijnen kan de chip voordelen opleveren. Met emulsies van oliedruppels met specifieke afmetingen kun je bijvoorbeeld heel selectief bepaalde organen in het lichaam bereiken. Daarnaast bevatten druppels van dezelfde afmetingen altijd dezelfde hoeveelheid actieve stof. Zo kun je met de chip overdosering voorkomen.

Van zestig voetbalvelden naar kantoorformaat

‘Toen Sami Sahin begon aan zijn promotie-traject hadden we een chip die hetzelfde deed, maar die een oppervlak van zestig voetbalvelden zou hebben om voldoende te kunnen produceren. Door Sami’s slimme nieuwe ontwerp hebben we dat teruggebracht tot tien vierkante meter. En omdat je de chips kunt stapelen, past een volledige productiefaciliteit nu makkelijk in mijn kantoor,’ zegt hoogleraar Schroën.

Identieke druppels

De chip is gemaakt van glas waarin microkanaaltjes zijn geëtst, leggen de onderzoekers uit. ‘We laten een laagje olie als het ware over een afstapje lopen. Doordat er een drukverschil bestaat voor en na het afstapje, vormt de olie spontaan druppels. De oppervlaktekrachten, viscositeit en wrijving met de wanden zorgen ervoor dat deze druppeltjes altijd exact even groot zijn.’ Door te spelen met de vorm van de kanaaltjes en het drukverschil, kun je instellen hoe groot de druppels worden.

Fabricage

Het was nog niet zo eenvoudig om het ontwerp van Sahin werkelijk te kunnen maken, vertelt Schroën. ‘Uiteindelijk hebben we Cytocentrics, een ontwikkelbedrijf dat microsystemen ontwerpt en maakt, bereid gevonden om voor ons de grenzen van hun technologie op te zoeken.’ ‘Voor ons was het realiseren van het ontwerp van Sami een mooie uitdaging,’ vertelt product engineer Arne Heessels van dat bedrijf. ‘Om de oliedruppeltjes allemaal exact even groot te maken, mogen de kanaaltjes geen afwijkingen hebben ten opzichte van elkaar. Daarvoor moesten we heel nauwkeurig gaatjes kunnen etsen. Uiteindelijk hebben we ervoor gekozen om de boven- en onderkant van de chip apart te behandelen. Maar dan moet je er vervolgens wel voor zorgen dat de gaatjes in de onderste plaat exact onder die in de bovenste plaat komen te liggen. Dat was een behoorlijke technische uitdaging. Het was dan ook een prachtig moment toen we op video zagen dat de chip precies de druppels en mengsels kon maken die Sami en Karin voor ogen hadden.’

edge-wetenschapsbeeld-a-bFig. links: Schematische 3D weergave van het multi-EDGE-apparaat. Olie wordt er van onderaf in geduwd en de druppels ontstaan aan de bovenkant. Fig. rechts: schematische doorsnede.

edge-wetenschapsbeeld-c-dSchematisch bovenaanzicht (fig. links) en schematisch onderaanzicht (fig. rechts)

edge-wetenschapsbeeld-e-fOptische micrografen van de bovenkant, voor en tijdens emulsificatie. Druppels worden van links naar rechts afgevoerd door de zogenaamde ‘cross flowing’ continue fase. De ‘cross-flow’ is niet nodig voor de vorming van druppels.

Prototype ontwikkelen en produceren

Eind mei 2016 is Sahin gepromoveerd. Nu wil hij met behulp van een STW Demonstrator Grant een prototype ontwikkelen om aan de industrie de mogelijkheden van de chip te kunnen laten zien, vertelt Schroën. ‘We willen de opbrengst nog met een factor tien verhogen, en nog meer begrip krijgen van het proces.’ ‘Daarnaast moeten we aantonen dat de chip 24/7 kan draaien,’ zegt Sahin. ‘We hebben veel kennis over de knoppen waar je aan kunt draaien om verschillende groottes en hoeveelheden oliedruppeltjes te maken, en we willen deze kennis graag delen met geïnteresseerde fabrikanten. Zo kunnen we ze adviseren over de formules die ze moeten gebruiken om tot een eindproduct te komen met gewenste eigenschappen. Dat kan gaan om de textuur van een crème, de uiteindelijke smaaksensatie van een dressing of om de concentraties aan werkzame stoffen in een medicijn ’ zegt hij.
Cytocentrics kan dit eerste prototype daadwerkelijk produceren, en wellicht een kleine serie ervan maken. ‘Zodra het over grotere volumes gaat, dragen wij de technologie echter graag over aan een partij die bulkproductie kan doen,’ zegt Heessels.

Voordelen demonstreren

‘In de voedingsindustrie wordt gewerkt met kleine marges. We moeten dus een groot voordeel bieden ten opzichte van huidige methoden. Zo verbruikt onze mengmethode negentig procent minder energie dan de huidige standaard apparatuur waar men emulsies mee maakt (homogenizers), en bovendien kunnen we de producteigenschappen met onze chip verbeteren. Door te laten zien hoe onze chip werkt, hopen we dat een bedrijf de verdere ontwikkeling van de chip gaat overnemen, zodat hij ook daadwerkelijk in de industrie terecht komt,’ sluit Schroën af.

Meer informatie