إنتاج مستحلبات نانوية مستقرة بالموجات فوق الصوتية

• تُستخدم المستحلبات النانوية – المعروفة أيضًا باسم المستحلبات المصغرة أو المستحلبات دون الميكرونية – في مجموعة واسعة من التطبيقات في الكيمياء والدهانات والطلاءات ومستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية والأغذية.
• تُعرف أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأنها تقنية عالية الكفاءة وموثوقة لإنتاج مستحلبات نانوية مستقرة على المدى الطويل.

لماذا تُستخدم الموجات فوق الصوتية للاستحلاب النانوي

الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية تقنية تستخدم موجات فوق صوتية منخفضة التردد وعالية القدرة لإنشاء مستحلبات مستقرة ومتجانسة من قطيرات دقيقة، يتراوح حجمها عادةً بين 10–200 nm. تتمتع هذه التقنية بعدة مزايا مقارنةً بطرق الاستحلاب التقليدية، مما يجعلها متفوقة في تطبيقات متنوعة. ومن هذه المزايا:

• حجم جسيمات متجانس: ينتج الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية قطيرات صغيرة ومتجانسة توفر استقرارًا وتوافرًا حيويًا أفضل. تتمتع هذه القطيرات بنسبة مرتفعة لمساحة السطح إلى الحجم، مما يجعلها أكثر تفاعلية وفعالية في تطبيقات متنوعة.
• استقرار عالٍ: تتمتع المستحلبات النانوية المنتجة بالموجات فوق الصوتية باستقرار حركي عالٍ بفضل صغر حجمها وتجانسها، مما يجعلها مقاومة لاندماج القطيرات والتلبد والترسيب. ويجعلها هذا الاستقرار مثالية للاستخدام في التطبيقات الغذائية والصيدلانية والتجميلية والكيميائية.
• استهلاك أقل للطاقة: يتطلب الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية طاقة أقل من طرق الاستحلاب التقليدية، مثل التجنيس أو المعالجة بالموائع الدقيقة، مما يجعله أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأكثر جدوى من حيث التكلفة.
• تعدد الاستخدامات: يمكن استخدام الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية لاستحلاب مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الدهون والمركبات المحبة للماء والمواد غير القابلة للذوبان في الماء. وهذا يجعله تقنية متعددة الاستخدامات يمكن توظيفها في تطبيقات متنوعة.
  وقت معالجة قصير: الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية عملية سريعة يمكن إتمامها خلال دقائق، مما يجعلها مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.

عمومًا، يوفر الاستحلاب النانوي بالموجات فوق الصوتية عدة مزايا مقارنةً بطرق الاستحلاب التقليدية، مما يجعله تقنية متفوقة لتطبيقات متنوعة.
 

تكوين المستحلبات النانوية بالموجات فوق الصوتية

ينتج الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية عن اقتران موجات الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بنظام سائل. وعند معالجة سائل بالموجات فوق الصوتية، تحدث آليتان:

1. يولّد المجال الصوتي موجات تنتقل عبر السائل وتسبب اضطرابات دقيقة وحركة عند السطح البيني. وبذلك يصبح الطور الحدّي غير مستقر، فيتفكك الطور المشتت (الداخلي) في نهاية المطاف ويكوّن قطيرات داخل الطور المستمر (الخارجي).
2. يولّد تطبيق الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية القدرة التجويف (Kentish et al. 2008). تتكوّن فقاعات دقيقة أو فجوات في الوسط بفعل التجويف بالموجات فوق الصوتية، نتيجة دورات الضغط للموجة فوق الصوتية. وتنمو الفقاعات الدقيقة / الفجوات على مدى عدة دورات موجية حتى تنهار بعنف. ويسبب هذا الانهيار الداخلي للفقاعات ظروفًا موضعية شديدة، مثل قص مرتفع جدًا ونفاثات سائلة ومعدلات تسخين وتبريد شديدة الارتفاع. (Suslick 1999).

تفتت هذه القوى الشديدة القطيرات الأولية للطور المشتت (الداخلي) إلى قطيرات نانوية الحجم، وتمزجها بصورة متجانسة داخل الطور المستمر (الخارجي).
اقرأ هنا المزيد عن تأثيرات التجويف بالموجات فوق الصوتية على الاستحلاب!

المستحلبات النانوية الصيدلانية

تُستخدم المستحلبات الدهنية المصغرة – المنتجة بالموجات فوق الصوتية – على نطاق واسع بوصفها حوامل للعوامل الدوائية في التركيبات الصيدلانية. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تعمل المستحلبات المصغرة بوصفها حوامل للأدوية المعطاة بالحقن أو وسائل لإيصال الأدوية إلى الأنسجة المستهدفة. وإلى جانب التوافر الحيوي المرتفع للمركبات الفعالة المغلفة، تتمثل مزايا المستحلبات المصغرة في توافقها الحيوي العالي وقابليتها للتحلل الحيوي واستقرارها وسهولة إنتاجها على نطاق واسع. وبفضل خصائصها البنيوية، يمكنها احتواء جزيئات كارهة للماء وجزيئات ذات طبيعة محبة للماء وكارهة له معًا. وقد حُمّلت المستحلبات النانوية المحضرة بالموجات فوق الصوتية بالتوكوفيرولات والفيتامينات والكركمين والعديد من المواد الدوائية الأخرى.
تُعد أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher أجهزة استحلاب موثوقة لتحضير مستحلبات نانوية محملة بالأدوية. وللاستحلاب بالموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher ملحقات متنوعة لتحسين عملية الاستحلاب. ويُعد Hielschers MultiPhaseCavitator ملحقًا فريدًا لخلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية، حيث يُحقن الطور الثاني على هيئة تيار ضيق جدًا مباشرةً في منطقة البؤرة فوق الصوتية الساخنة للاستحلاب.

مستحلبات نانوية صالحة للاستخدام الغذائي

توفر المستحلبات النانوية فوائد متنوعة لصياغة المنتجات الغذائية. وتُظهر المستحلبات النانوية استقرارًا جيدًا في مواجهة الانفصال بفعل الجاذبية والتلبد واندماج القطيرات، كما توفر إطلاقًا و/أو امتصاصًا مضبوطًا للمكونات الوظيفية بفضل صغر حجم قطيراتها وكبر مساحة سطحها. بالإضافة إلى ذلك، توفر توافرًا حيويًا مرتفعًا للمركبات الفعالة، وهو أمر مهم لإيصال المغذيات والمواد الفعالة. كما توفر خصائص جيدة للصياغة، لأنها شفافة أو شبه شفافة بصريًا، ولأن قطيراتها دون الميكرونية / النانوية تمنح إحساسًا ناعمًا وكريميًا في الفم. ولذلك يُعد إنتاج مستحلبات نانوية مستقرة مهمة شائعة في صناعة الأغذية، مثل صياغة منتجات مدعمة بالفيتامينات أو الأحماض الدهنية (مثل فيتامين C وفيتامين E وأوميغا-3 وأوميغا-6 وأوميغا-9 المشتقة من بذور النباتات أو زيت السمك)، أو إنتاج منتجات منكّهة (مثل المنتجات المحتوية على زيوت عطرية).

توزيع القطيرات النانوية الحجم في مستحلب نانوي مشتت بالموجات فوق الصوتية (مستحلب زيت اللافندر في الماء). حُضّر المستحلب باستخدام المسبار فوق الصوتي UP400St.

المستحلبات النانوية التجميلية

توفر المستحلبات النانوية من نوع الماء في الزيت (W/O)، على وجه الخصوص، فوائد متنوعة لتغليف مادة محبة للماء وفعالة حيويًا داخل قطيرات نانوية المقياس (في مستحلبات مفردة أو مزدوجة).
انقر هنا لقراءة المزيد عن صياغة مستحلبات تجميلية خالية من المواد الخافضة للتوتر السطحي باستخدام الموجات فوق الصوتية!

بلمرة المستحلبات المصغرة

تُستخدم بلمرة المستحلبات المصغرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية في عمليات متنوعة – من تغليف الجسيمات غير العضوية إلى تخليق جسيمات اللاتكس. ويُعرف تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على التفاعلات الكيميائية، مثل البلمرة والتخليق وغيرها، باسم الكيمياء الصوتية.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الكيمياء الصوتية, تخليق اللاتكس بالموجات فوق الصوتية و الترسيب بالموجات فوق الصوتية!

تثبيت المستحلبات

على الرغم من أن بعض المستحلبات النانوية يمكن أن تبقى مستقرة أثناء التخزين دون استخدام أي مواد خافضة للتوتر السطحي أو عوامل استحلاب، بفضل حجم قطيراتها النانوي وتوزيعها، فإن مستحلبات نانوية أخرى تتطلب استخدام عوامل تثبيت للحصول على استقرار طويل الأمد وجودة مثلى للمنتج. ويمكن تحقيق التثبيت بإضافة مواد خافضة للتوتر السطحي أو جسيمات صلبة تعمل بوصفها مثبتات. وتُعرف المستحلبات المثبتة بالجسيمات الصلبة باسم مستحلبات Pickering. ويمكن استخدام اللاكتوز والألبومين والليسيثين والكيتوزان والسيكلودكسترين والمالتودكسترين والنشا وغيرها بوصفها مثبتات غروية في مستحلبات Pickering. انقر هنا لمعرفة المزيد عن مستحلبات Pickering المنتجة بالموجات فوق الصوتية!
يمكن إجراء الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية لجميع أنواع المستحلبات. ويمكن بسهولة اختبار ما إذا كان مستحلب معين يتطلب عامل تثبيت على نطاق صغير.
يرجى ملاحظة أن كمية المادة الخافضة للتوتر السطحي المطلوبة تزداد مع انخفاض حجم القطيرات، لأن نسبة مساحة السطح إلى الحجم (S/V) للكرات تُعطى بالعلاقة: S/V = 3/R. فعلى سبيل المثال، كلما صغر قطر الجسيم أو القطيرة، زادت مساحة سطحه بالنسبة إلى حجمه.

معدات الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية

يتطلب إنتاج مستحلبات مستقرة دون ميكرونية ونانوية معدات قوية للموجات فوق الصوتية. وتوفر معدات الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية من Hielscher سعات اهتزاز مرتفعة جدًا (تصل إلى 200µm لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية، مع توفر سعات أعلى عند الطلب) لتوليد مجال صوتي شديد.
ومع ذلك، غالبًا ما لا تكفي معدات الموجات فوق الصوتية عالية القدرة وحدها لإنتاج مستحلبات نانوية مستقرة. فإلى جانب القدرة فوق الصوتية الكافية، يلزم التحكم الدقيق في معلمات العملية وملحقات متطورة (مثل السونوترودات ومفاعلات خلايا التدفق والتبريد) للحصول على قطيرات نانوية الحجم وتشتيت متجانس للطورين المائي والزيتي أحدهما في الآخر.
Hielscher MultiPhaseCavitator: لإنتاج مستحلبات متفوقة ذات توزيع ضيق جدًا لأحجام القطيرات، طورت Hielscher قطعة إدخال فريدة لخلية التدفق – وهي MultiPhaseCavitator. وباستخدام هذا الملحق الخاص لخلية التدفق، يُحقن الطور الثاني للمستحلب باستمرار عبر 48 قنية صغيرة في منطقة التجويف. وتتيح هذه التقنية إنتاجًا موثوقًا وفعالًا لقطيرات نانوية بالغة الصغر ومستحلبات عالية الاستقرار.

تتخصص Hielscher Ultrasonics في توريد أنظمة وملحقات متفوقة للموجات فوق الصوتية لتحقيق نتائج معالجة مثلى. وتضمن خبرتنا الطويلة في المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتعاوننا الوثيق مع عملائنا التطبيق الناجح للموجات فوق الصوتية في خطوط الإنتاج.
للاختبارات الأولية وتطوير العمليات وتحسينها، نوفر مختبرًا للعمليات ومركزًا تقنيًا مجهزين بالكامل.
علاوةً على ذلك، نقدم استشارات معمقة وتطويرًا لأنظمة موجات فوق صوتية مخصصة وخدمات تقنية شاملة للتركيب والتدريب والصيانة.