Ultrazvučna proizvodnja stabilnih nanoemulzija

• Nanoemulzije – poznate i kao miniemulzije ili submikronske emulzije – koriste se u širokom spektru primjena u hemiji, bojama, premazima, kozmetici, farmaceutici i prehrambenoj industriji.
• Ultrazvučni uređaji poznati su kao vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za proizvodnju dugoročno stabilnih nanoemulzija.

Zašto ultrazvuk za nanoemulzifikaciju

Ultrazvučna nanoemulzifikacija je tehnika koja koristi niskofrekventne ultrazvučne valove velike snage za stvaranje stabilnih i ujednačenih emulzija sitnih kapljica, obično u rasponu od 10-200 nm. Ova tehnika ima nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne metode emulgiranja, zbog kojih je superiornija u raznim primjenama. Neke od tih prednosti su:

• Ujednačena veličina čestica: Ultrazvučna nanoemulzifikacija proizvodi male i ujednačene kapljice, koje nude bolju stabilnost i bioraspoloživost. Te kapljice imaju visok omjer površine i volumena, zbog čega su reaktivnije i djelotvornije u raznim primjenama.
• Visoka stabilnost: Ultrazvučne nanoemulzije imaju visoku kinetičku stabilnost zbog male veličine i ujednačenosti kapljica, što ih čini otpornima na koalescenciju, flokulaciju i sedimentaciju. Zahvaljujući toj stabilnosti idealne su za upotrebu u prehrambenoj, farmaceutskoj, kozmetičkoj i hemijskoj industriji.
• Smanjena potrošnja energije: Ultrazvučna nanoemulzifikacija zahtijeva manji unos energije od tradicionalnih metoda emulgiranja, kao što su homogenizacija ili mikrofluidizacija, zbog čega je energetski efikasnija i isplativija.
• Svestranost: Ultrazvučna nanoemulzifikacija može se koristiti za emulgiranje širokog spektra materijala, uključujući lipide, hidrofilna jedinjenja i tvari netopive u vodi. Zbog toga je to svestrana tehnika koja se može koristiti u raznim primjenama.
  Kratko vrijeme obrade: Ultrazvučna nanoemulzifikacija je brz proces koji se može završiti za nekoliko minuta, zbog čega je pogodna za proizvodnju velikih razmjera.

Sve u svemu, ultrazvučna nanoemulzifikacija nudi nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne metode emulgiranja, zbog čega je superiorna tehnika za razne primjene.

Ultrazvučno stvaranje nanoemulzija

Ultrazvučno emulgiranje nastaje uvođenjem valova snažnog ultrazvuka u tečni sistem. Ultrazvučnom obradom tečnosti javljaju se dva mehanizma:

1. Akustično polje stvara valove koji putuju kroz tečnost i uzrokuju mikroturbulencije i kretanje na međufaznoj površini. Time granična faza postaje nestabilna, pa se disperzna (unutrašnja) faza na kraju raspada i formira kapljice u kontinuiranoj (vanjskoj) fazi.
2. Primjena niskofrekventnog ultrazvuka velike snage stvara kavitaciju (Kentish et al. 2008). Ultrazvučnom kavitacijom u mediju se zbog tlačnih ciklusa ultrazvučnog vala stvaraju mikromjehurići ili šupljine. Mikromjehurići / šupljine rastu tokom nekoliko ciklusa vala sve dok se naglo ne uruše. Ta implozija mjehurića uzrokuje lokalno ekstremne uvjete kao što su vrlo jako smicanje, tečni mlazovi te ekstremne brzine zagrijavanja i hlađenja. (Suslick 1999).

Te ekstremne sile razbijaju primarne kapljice disperzne (unutrašnje) faze na kapljice nanometarske veličine i homogeno ih miješaju u kontinuiranu (vanjsku) fazu.
Pročitajte ovdje više o učincima ultrazvučne kavitacije na emulgiranje!

Farmaceutske nanoemulzije

Lipidne miniemulzije – proizvedene ultrazvukom – široko se primjenjuju kao nosači farmakoloških agenasa u farmaceutskim formulacijama. Na primjer, miniemulzije mogu djelovati kao parenteralni nosač lijeka ili sistem za isporuku lijeka do ciljnih tkiva. Pored visoke bioraspoloživosti inkapsuliranih aktivnih spojeva, prednosti miniemulzija su njihova visoka biokompatibilnost, biorazgradivost, stabilnost i jednostavna proizvodnja velikih razmjera. Zbog svojih strukturnih svojstava mogu inkorporirati hidrofobne kao i amfipatske molekule. Ultrazvučno pripremljene nanoemulzije napunjene su tokoferolima, vitaminima, kurkuminom i mnogim drugim farmakološkim tvarima.
Ultrazvučni sistemi kompanije Hielscher pouzdani su emulgatori za pripremu nanoemulzija napunjenih lijekovima. Za ultrazvučno emulgiranje Hielscher nudi razne dodatke za optimizaciju procesa emulgiranja. MultiPhaseCavitator kompanije Hielscher jedinstveni je dodatak za ultrazvučne protočne ćelije, kod kojeg se druga faza ubrizgava u vrlo uskom mlazu direktno u ultrazvučnu zonu žarišta emulgiranja.

Nanoemulzije prehrambene kvalitete

Nanoemulzije nude razne prednosti za formulaciju prehrambenih proizvoda. Nanoemulzije pokazuju dobru stabilnost prema gravitacijskom razdvajanju, flokulaciji i koalescenciji te zbog male veličine kapljica i velike površine omogućavaju kontrolirano oslobađanje i/ili apsorpciju funkcionalnih sastojaka. Osim toga, nude visoku bioraspoloživost aktivnih spojeva, što je važno za isporuku nutrijenata i aktivnih tvari. Nadalje, nude dobra formulacijska svojstva jer su prozirne ili vizuelno providne, a njihove submikronske / nanometarske kapljice daju glatki i kremasti osjećaj u ustima. Stoga je proizvodnja stabilnih nanoemulzija sveprisutan zadatak u prehrambenoj industriji, npr. za formulaciju proizvoda obogaćenih vitaminima ili masnim kiselinama (npr. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 dobiveni iz sjemenki biljaka ili ribljeg ulja) ili za proizvodnju aromatiziranih proizvoda (npr. s esencijalnim uljima).

Raspodjela veličine nanokapljica ultrazvučno dispergirane nanoemulzije (emulzija ulja lavande u vodi). Emulzija je pripremljena pomoću ultrazvučne sonde UP400St.

Kozmetičke nanoemulzije

Posebno nanoemulzije tipa voda-u-ulju (W/O) nude razne prednosti za inkapsulaciju bioaktivnih hidrofilnih tvari u kapljice nanometarskih dimenzija (u jednostrukim ili dvostrukim emulzijama).
Kliknite ovdje da biste saznali više o formulaciji kozmetičkih emulzija bez surfaktanata pomoću ultrazvuka!

Polimerizacija miniemulzije

Ultrazvučno potpomognuta polimerizacija miniemulzije primjenjuje se u raznim procesima – od inkapsulacije anorganskih čestica do sinteze čestica lateksa. Primjena snažnog ultrazvuka na hemijske reakcije kao što su polimerizacija, sinteza itd. poznata je kao sonohemija.
Kliknite ovdje da biste saznali više o sonohemiji, ultrazvučnoj sintezi lateksa i ultrazvučnoj precipitaciji!

Stabilizacija emulzije

Iako neke nanoemulzije mogu biti stabilne tokom skladištenja bez upotrebe ikakvih surfaktanata ili emulgatora zbog nanometarske veličine i raspodjele kapljica, druge nanoemulzije zahtijevaju upotrebu stabilizatora kako bi se postigla dugoročna stabilnost i optimalan kvalitet proizvoda. Stabilizacija se može postići dodavanjem surfaktanata (tenzida) ili čvrstih čestica koje djeluju kao stabilizatori. Emulzije koje su stabilizirane čvrstim česticama poznate su kao Pickeringove emulzije. Laktoza, albumin, lecitin, hitozan, ciklodekstrin, maltodekstrin, škrob itd. mogu se koristiti kao koloidni stabilizatori u Pickeringovim emulzijama. Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučno stvorenim Pickeringovim emulzijama!
Ultrazvučno emulgiranje može se izvoditi za sve vrste emulzija. Je li za određenu emulziju potreban stabilizator, može se lako testirati u malom mjerilu.
Imajte na umu da se količina potrebnog surfaktanta povećava sa smanjenjem veličine kapljica jer je omjer površine i volumena (S/V) za sfere dat izrazom: S/V = 3/R. Na primjer, što je manji promjer čestice ili kapljice, to ima više površine u odnosu na svoj volumen.

Oprema za ultrazvučno emulgiranje

Za proizvodnju stabilnih submikronskih i nanoemulzija potrebna je snažna ultrazvučna oprema. Oprema za ultrazvučno emulgiranje kompanije Hielscher pruža vrlo visoke amplitude (do 200µm za industrijske ultrazvučne uređaje, veće amplitude na zahtjev) kako bi se stvorilo intenzivno akustično polje.
Međutim, za proizvodnju stabilnih nanoemulzija sama oprema za snažni ultrazvuk često nije dovoljna. Pored dovoljne ultrazvučne snage, potrebni su precizna kontrola procesnih parametara i sofisticirani dodaci (kao što su sonotrode, reaktori s protočnom ćelijom, hlađenje) kako bi se dobile kapljice nanometarske veličine i homogena disperzija i vodene i uljne faze jedne u drugu.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Kako bi proizveo vrhunske emulzije s vrlo uskom raspodjelom kapljica, Hielscher je razvio jedinstveni umetak za protočnu ćeliju – MultiPhaseCavitator. Pomoću ovog posebnog dodatka za protočnu ćeliju druga faza emulzije kontinuirano se ubrizgava kroz 48 malih kanila u zonu kavitacije. Ova tehnologija omogućava pouzdanu i djelotvornu proizvodnju vrlo malih kapljica nanometarske veličine i visoko stabilnih emulzija.

Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za isporuku vrhunskih ultrazvučnih sistema i dodataka za optimalne rezultate obrade. Naše dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi i bliska saradnja s našim klijentima osiguravaju uspješnu implementaciju ultrazvuka u proizvodne linije.
Za početna testiranja, razvoj procesa i optimizaciju procesa nudimo potpuno opremljenu procesnu laboratoriju i tehnički centar.
Nadalje, nudimo detaljno savjetovanje, razvoj prilagođenih ultrazvučnih sistema i temeljitu tehničku podršku za instalaciju, obuku i održavanje.