Ултразвуково производство на стабилни наноемулсии

• Наноемулсиите – известни също като миниемулсии или субмикронни емулсии – се използват в широк спектър от приложения в химията, боите, покритията, козметиката, фармацевтиката и храните.
• Ултразвуковите устройства са известни като високоефективно и надеждно средство за производство на дългосрочно стабилни наноемулсии.

Защо да използваме ултразвук за наноемулгиране

Ултразвуковото наноемулгиране е техника, която използва нискочестотни ултразвукови вълни с висока мощност за създаване на стабилни и еднородни емулсии от миниатюрни капчици, обикновено в диапазона 10–200 nm. Тази техника има няколко предимства пред традиционните методи за емулгиране, които я правят по-добра за различни приложения. Някои от тези предимства са:

• Еднакъв размер на частиците: Ултразвуковото наноемулгиране произвежда малки капчици с еднакъв размер, които осигуряват по-добра стабилност и бионаличност. Тези капчици имат високо съотношение на повърхностната площ към обема, което ги прави по-реактивни и ефективни в различни приложения.
• Висока стабилност: Ултразвуковите наноемулсии имат висока кинетична стабилност поради малкия и еднакъв размер на капчиците, което ги прави устойчиви на коалесценция, флокулация и седиментация. Тази стабилност ги прави идеални за употреба в храни, фармацевтични продукти, козметични и химични приложения.
• Намалена консумация на енергия: Ултразвуковото наноемулгиране изисква по-малко вложена енергия от традиционните методи за емулгиране, като хомогенизация или микрофлуидизация, което го прави по-енергийно ефективно и икономически по-изгодно.
• Универсалност: Ултразвуковото наноемулгиране може да се използва за емулгиране на широк спектър от материали, включително липиди, хидрофилни съединения и неразтворими във вода вещества. Това го прави универсална техника, която може да се използва в различни приложения.
  Кратко време за обработка: Ултразвуковото наноемулгиране е бърз процес, който може да бъде завършен за минути, което го прави подходящ за мащабно производство.

Като цяло ултразвуковото наноемулгиране предлага няколко предимства пред традиционните методи за емулгиране, което го прави по-добра техника за различни приложения.
 

Ултразвуково образуване на наноемулсии

Ултразвуковото емулгиране се предизвиква чрез предаване на вълните на мощния ултразвук в течна система. При ултразвукова обработка на течност протичат два механизма:

1. Акустичното поле генерира вълни, които се разпространяват през течността и предизвикват микротурбулентност и движение на междуфазната граница. Така граничната фаза става нестабилна, вследствие на което диспергираната (вътрешна) фаза в крайна сметка се разкъсва и образува капчици в непрекъснатата (външна) фаза.
2. Прилагането на нискочестотен ултразвук с висока мощност генерира кавитация (Kentish et al. 2008). При ултразвукова кавитация в средата се образуват микромехурчета или кухини поради циклите на налягането на ултразвуковата вълна. Микромехурчетата / кухините нарастват в продължение на няколко вълнови цикъла, докато не колабират бурно. Тази имплозия на мехурчетата създава локално екстремни условия, като много силно срязване, течни струи и екстремни скорости на нагряване и охлаждане. (Suslick 1999).

Тези екстремни сили раздробяват първичните капчици на диспергираната (вътрешна) фаза до капчици с наноразмер и ги смесват хомогенно в непрекъснатата (външна) фаза.
Прочетете тук повече за въздействието на ултразвуковата кавитация върху емулгирането!

Фармацевтични наноемулсии

Липидните миниемулсии – произведени чрез ултразвук – се използват широко като носители на фармакологични агенти във фармацевтични състави. Например миниемулсиите могат да действат като парентерални носители на лекарства или като системи за доставяне на лекарства до целеви тъкани. Освен високата бионаличност на капсулираните активни съединения, предимствата на миниемулсиите се състоят във високата им биосъвместимост, биоразградимост, стабилност и лесното им производство в голям мащаб. Благодарение на структурните си свойства те могат да включват както хидрофобни, така и амфипатични молекули. В приготвени чрез ултразвук наноемулсии са включвани токофероли, витамини, куркумин и много други фармакологични вещества.
Ултразвуковите системи на Hielscher са надеждни емулгатори за приготвяне на наноемулсии, заредени с лекарства. За ултразвуковото емулгиране Hielscher предлага различни принадлежности за оптимизиране на процеса на емулгиране. MultiphaseCavitator на Hielscher е уникално допълнение за ултразвукови проточни клетки, при което втората фаза се инжектира като много тънка струя директно в зоната на интензивно ултразвуково въздействие при емулгирането.

Наноемулсии за хранителни приложения

Наноемулсиите предлагат различни предимства при формулирането на хранителни продукти. Наноемулсиите проявяват добра устойчивост на гравитационно разделяне, флокулация и коалесценция и осигуряват контролирано освобождаване и/или абсорбция на функционални съставки благодарение на малкия размер на капчиците и голямата им повърхностна площ. Освен това те осигуряват висока бионаличност на активните съединения, което е важно за доставянето на хранителни вещества и активни субстанции. Те също така имат добри свойства за формулиране, тъй като са прозрачни или видимо полупрозрачни, а капчиците им със субмикронен / наноразмер създават гладко и кремообразно усещане в устата. Поради това производството на стабилни наноемулсии е повсеместна задача за хранителната промишленост, например за формулиране на продукти, обогатени с витамини или мастни киселини (напр. витамин C, витамин E, омега-3, омега-6, омега-9, получени от масло от растителни семена или рибено масло), или за производство на ароматизирани продукти (напр. с етерични масла).

Разпределение на капчиците с наноразмер в ултразвуково диспергирана наноемулсия (емулсия на лавандулово масло във вода). Емулсията е приготвена с ултразвуковата сонда UP400St.

Козметични наноемулсии

По-специално наноемулсиите вода в масло (W/O) предлагат различни предимства за капсулиране на биоактивни хидрофилни вещества в капчици с наноразмер (в единични или двойни емулсии).
Щракнете тук, за да прочетете повече за формулирането на козметични емулсии без повърхностноактивни вещества чрез ултразвук!

Миниемулсионна полимеризация

Миниемулсионната полимеризация, подпомагана от ултразвук, се прилага в различни процеси – от капсулирането на неорганични частици до синтеза на латексови частици. Прилагането на мощен ултразвук към химични реакции, като полимеризация, синтез и др., е известно като сонохимия.
Щракнете тук, за да прочетете повече за сонохимията, ултразвуковия синтез на латекс и ултразвуковото утаяване!

Стабилизиране на емулсии

Въпреки че някои наноемулсии могат да бъдат стабилни при съхранение без използването на каквито и да било повърхностноактивни вещества или емулгатори благодарение на наноразмера и разпределението на капчиците, други наноемулсии изискват използването на стабилизиращи агенти за постигане на дългосрочна стабилност и оптимално качество на продукта. Стабилизирането може да се осъществи чрез добавяне на повърхностноактивни вещества (тензиди) или твърди частици, които действат като стабилизатори. Емулсиите, стабилизирани с твърди частици, са известни като емулсии на Пикеринг. Лактоза, албумин, лецитин, хитозан, циклодекстрин, малтодекстрин, нишесте и др. могат да се използват като колоидни стабилизатори в емулсиите на Пикеринг. Щракнете тук, за да научите повече за емулсиите на Пикеринг, получени чрез ултразвук!
Ултразвуковото емулгиране може да се извършва за всички видове емулсии. Дали е необходим стабилизиращ агент за конкретна емулсия, може лесно да се провери в малък мащаб.
Имайте предвид, че необходимото количество повърхностноактивно вещество се увеличава с намаляването на размера на капчиците, тъй като съотношението на повърхностната площ към обема (S/V) за сфери се определя чрез: S/V = 3/R. Например колкото по-малък е диаметърът на частица или капчица, толкова по-голяма е повърхностната ѝ площ спрямо обема ѝ.

Оборудване за ултразвуково емулгиране

Производството на стабилни субмикронни и наноемулсии изисква мощно ултразвуково оборудване. Оборудването за ултразвуково емулгиране на Hielscher осигурява много високи амплитуди (до 200µm за промишлени ултразвукови устройства, по-високи амплитуди при поискване), за да генерира интензивно акустично поле.
За производството на стабилни наноемулсии обаче само оборудването за мощен ултразвук често не е достатъчно. Освен достатъчна ултразвукова мощност са необходими прецизен контрол на параметрите на процеса и усъвършенствани принадлежности (като сонотроди, реактори с проточни клетки, охлаждане), за да се получат капчици с наноразмер и хомогенно диспергиране на водната и маслената фаза една в друга.
Hielscher MultiphaseCavitator: За да произвежда емулсии с превъзходно качество и много тясно разпределение на капчиците, Hielscher разработи уникална вложка за проточна клетка – MultiphaseCavitator. С това специално допълнение за проточната клетка втората фаза на емулсията се инжектира непрекъснато през 48 малки канюли в кавитационната зона. Тази технология позволява надеждното и ефективно производство на много малки капчици с наноразмер и високостабилни емулсии.

Hielscher Ultrasonics е специализирана в доставката на ултразвукови системи и принадлежности с превъзходно качество за оптимални резултати от обработката. Нашият дългогодишен опит в ултразвуковата обработка и тясното ни сътрудничество с клиентите осигуряват успешното внедряване на ултразвука в производствени линии.
За първоначални изпитвания, разработване и оптимизиране на процеси предлагаме напълно оборудвана технологична лаборатория и технически център.
Освен това предлагаме задълбочени консултации, разработване на персонализирани ултразвукови системи и цялостно техническо обслужване за монтаж, обучение и поддръжка.