Ultrazvučna proizvodnja stabilnih nanoemulzija
- Nanoemulzije – također poznate kao miniemulzije ili submikronske emulzije – koriste se u širokom spektru primjena u hemiji, bojama, premazima, kozmetici, farmaciji i hrani.
- Ultrasonikatori su poznati kao visokoefikasna i pouzdana tehnika za proizvodnju dugotrajno stabilnih nanoemulzija.
Zašto ultrazvuk za nanoemulzifikaciju
Ultrazvučna nanoemulzifikacija je tehnika koja koristi ultrazvučne talase niske frekvencije, 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, koje je čine superiornom u različitim primjenama. Neke od ovih prednosti su:
- Ujednačena veličina čestica: Ultrazvučna nanoemulzifikacija proizvodi male i ujednačene kapljice, koje nude bolju stabilnost i biodostupnost. Ove kapljice imaju visok odnos površine i zapremine, što ih čini reaktivnijim i efikasnijim u različitim primenama.
- visoka stabilnost: Ultrazvučne nanoemulzije imaju visoku kinetičku stabilnost zbog svoje male veličine i uniformnosti, što ih čini otpornim na koalescenciju, flokulaciju i sedimentaciju. Ova stabilnost ih čini idealnim za upotrebu u prehrambenoj, farmaceutskoj, kozmetičkoj i kemijskoj primjeni.
- Smanjena potrošnja energije: Ultrazvučna nanoemulzifikacija zahtijeva manji unos energije od tradicionalnih metoda emulgiranja kao što su homogenizacija ili mikrofluidizacija, što je čini energetski učinkovitijom i isplativijom.
- Svestranost: Ultrazvučna nanoemulzifikacija može se koristiti za emulgiranje širokog spektra materijala, uključujući lipide, hidrofilna jedinjenja i supstance netopive u vodi. To ga čini raznovrsnom tehnikom koja se može koristiti u različitim aplikacijama.
Brzo vrijeme obrade: Ultrazvučna nanoemulzifikacija je brz proces koji se može završiti za nekoliko minuta, što ga čini pogodnim za proizvodnju velikih razmjera.
Sve u svemu, ultrazvučna nanoemulzifikacija nudi nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne metode emulgiranja, što je čini superiornom tehnikom za različite primjene.
Ultrazvučno formiranje nanoemulzija
Ultrazvučna emulzifikacija je uzrokovana spajanjem valova snage ultrazvuka u tekući sistem. Sonikacijom tečnosti javljaju se dva mehanizma:
- Akustičko polje generiše talase koji putuju kroz tečnost i izazivaju mikroturbulencije i pomeranje međufaza. Pri tome granična faza postaje nestabilna, tako da se disperzna (unutrašnja) faza na kraju lomi i formira kapljice u kontinuiranoj (vanjskoj) fazi.
- Primjena ultrazvuka niske frekvencije velike snage stvara kavitaciju (Kentish et al. 2008.). Ultrazvučnom kavitacijom u mediju se formiraju mikromehurići ili šupljine usled ciklusa pritiska ultrazvučnog talasa. Mikromehurići / praznine rastu tokom nekoliko talasnih ciklusa sve dok se nasilno ne kolabiraju. Ova implozija mjehurića uzrokuje lokalno ekstremne uvjete kao što su vrlo visoki smicanje, mlaz tekućine i ekstremne brzine grijanja i hlađenja. (Suslick 1999.).
Ove ekstremne sile razbijaju primarne kapljice dispergirane (unutrašnje) faze do nanoveličine kapljice i homogeno ih miješaju u kontinuiranu (vanjsku) fazu.
Ovdje pročitajte više o efektima ultrazvučne kavitacije na emulzifikaciju!
Farmaceutske nanoemulzije
Lipidne miniemulzije – proizveden ultrazvukom – se široko primjenjuju kao nosač za farmakološke agense u farmaceutskim formulacijama. Na primjer, miniemulzije mogu djelovati kao parenteralni nosač lijeka ili uređaj za isporuku lijeka u ciljana tkiva. Osim visoke bioraspoloživosti inkapsuliranih aktivnih spojeva, prednosti miniemulzija leže u njihovoj visokoj biokompatibilnosti, biorazgradivosti, stabilnosti i lakoći proizvodnje u velikim količinama. Zbog svojih strukturnih svojstava, mogu uključivati hidrofobne i amfipatske molekule. Ultrazvučno pripremljene nanoemulzije napunjene su tokoferolima, vitaminima, kurkurminom i mnogim drugim farmakološkim supstancama.
Hielscherovi ultrazvučni sistemi su pouzdani emulgatori za pripremu nanoemulzija natopljenih lijekovima. Za ultrazvučnu emulzifikaciju, Hielscher nudi razne dodatke za optimizaciju procesa emulgiranja. Hielschers MultiPhaseCavitator je jedinstveni dodatak za ultrazvučne protočne ćelije, gdje se druga faza ubrizgava kao vrlo uski mlaz direktno u ultrazvučnu vruću zonu emulgiranja.
Nanoemulzije za hranu
Nanoemulzije nude različite prednosti za formulaciju prehrambenih proizvoda. Nanoemulzije pokazuju dobru stabilnost na gravitaciono odvajanje, flokulaciju, koalescenciju i nude kontrolirano oslobađanje i/ili apsorpciju funkcionalnih sastojaka zbog svoje male veličine kapljica i velike površine. Osim toga, nude visoku bioraspoloživost aktivnih spojeva što je važno za isporuku hranjivih i aktivnih tvari. Nadalje, nude dobra svojstva formulacije jer su prozirne ili vizualno prozirne, a njihove kapljice submikronske/nano veličine stvaraju glatki i kremasti osjećaj u ustima. Stoga je proizvodnja stabilnih nano-emulzija sveprisutan zadatak za prehrambenu industriju, npr. formuliranje proizvoda obogaćenih vitaminima ili masnim kiselinama (npr. vitamin C, vitamin E omega-3, omega-6, omega-9 dobiveni iz sjemena biljaka ili ribljeg ulja) ili za proizvodnju aromatiziranih proizvoda (npr. s eteričnim uljima).
Kozmetičke nanoemulzije
Posebno nanoemulzije voda u ulju (W/O) nude različite prednosti za kapsuliranje bioaktivne hidrofilne supstance u kapljice nano razmjera (u pojedinačnim ili dvostrukim emulzijama).
Kliknite ovdje da pročitate više o formulaciji kozmetičkih emulzija bez surfaktanata uz ultrazvuk!
miniemulziona polimerizacija
Ultrazvučno potpomognuta miniemulzijska polimerizacija primjenjuje se na različite procese – od inkapsulacije neorganskih čestica do sinteze čestica lateksa. Primjena snažnog ultrazvuka na kemijske reakcije kao što su polimerizacija, sinteza itd. poznate su kao sonokemija.
Kliknite ovdje da pročitate više o tome Sonochemistry, ultrazvučna sinteza lateksa i ultrazvučne precipitacije!
stabilizacija emulzije
Iako neke nanoemulzije mogu biti stabilne na polici bez upotrebe bilo kakvih tenzida ili emulgatora zbog veličine i distribucije kapljica u nano skali, druge nanoemulzije zahtijevaju upotrebu stabilizirajućih agenasa 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, skrob itd. mogu se koristiti kao koloidni stabilizatori u Pickeringovim emulzijama. Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučno generiranim Pickering emulzijama!
Ultrazvučna emulzifikacija se može izvesti za sve vrste emulzija. Ako je za određenu emulziju potrebno sredstvo za stabilizaciju, može se lako testirati u malom obimu.
Imajte na umu da se količina potrebnog surfaktanta povećava sa smanjenjem veličine kapljice jer je omjer površine i zapremine (S/V) za sfere dat kao: S/V = 3/R. Na primjer, što je manji promjer čestice ili kapljice, to ima veću površinu u odnosu na svoj volumen.
Ultrazvučna oprema za emulziju
Proizvodnja stabilnih submikronskih i nano-emulzija zahtijeva moćnu ultrazvučnu opremu. Hielscher ultrazvučna oprema za emulziju isporučuje vrlo visoke amplitude (do 200µm za industrijske ultrasonikatore, veće amplitude na zahtjev) za stvaranje intenzivnog akustičnog polja.
Međutim, za proizvodnju stabilnih nanoemulzija, sama ultrazvučna oprema često nije dovoljna. Osim dovoljne ultrazvučne snage, neophodna je precizna kontrola parametara procesa i sofisticirani dodaci (kao što su sonotrode, reaktori protočnih ćelija, hlađenje) da bi se dobile kapljice nano veličine i homogena disperzija oba, vodene i uljne faze jedna u drugu.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Kako bi proizveo vrhunske emulzije s vrlo uskom distribucijom kapljica, Hielscher je razvio jedinstveni umetak protočne ćelije – MultiPhaseCavitator. Sa ovim posebnim dodatkom za protočne ćelije, druga faza emulzije se kontinuirano ubrizgava preko 48 malih kanila u zonu kavitacije. Ova tehnologija omogućava pouzdanu i efikasnu proizvodnju vrlo malih kapljica nano veličine i visoko stabilnih emulzija.
Hielscher Ultrasonics je specijalizovan za isporuku vrhunskih ultrazvučnih sistema i pribora za optimalne rezultate obrade. Naše dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi i bliska saradnja sa našim klijentima osiguravaju uspješnu implementaciju ultrazvuka u proizvodne linije.
Za početna ispitivanja, razvoj procesa i optimizaciju procesa nudimo potpuno opremljenu procesnu laboratoriju i tehnički centar.
Nadalje, nudimo dubinsko savjetovanje, razvoj prilagođenih ultrazvučnih sistema i temeljne tehničke usluge za instalaciju, obuku i održavanje.
Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
0.5 do 1.5 mL | N / A | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Činjenice koje vrijedi znati
Emulzije, veličina kapljica i surfaktanti
Emulzije se definiraju kao dvije tekućine koje se ne miješaju: jedna od tekućina – takozvana disperzovana ili unutrašnja faza – disperguje se kao sferne kapljice unutar druge tečnosti, poznate kao kontinuirana ili vanjska faza. Najistaknutije tečnosti koje se koriste za formiranje emulzije su ulje i voda. Kada je uljna faza dispergirana u vodi/vodenoj fazi, sistem je emulzija ulje-u-vodi, dok je voda/vodena faza dispergirana u uljnoj fazi emulzija voda-u-ulju. Emulzije se razlikuju po veličini čestica i termodinamičkoj stabilnosti kao makroemulzije, mikroemulzije i nanoemulzije.
Nanoemulzije
Nanoemulzije su disperzije nanočestica, koje se sastoje od kapljica nano veličine. Velike sile smicanja snažnog ultrazvuka razbijaju kapljice tako da se one smanjuju na submikronski i nano promjer. Općenito, manje veličine kapljica dovode do veće stabilnosti emulzije. Nanoemulzije se mogu razlikovati kao O/W (ulje u vodi), W/O (voda u ulju) ili kao višestruke/dvostruke emulzije kao što su W/O/W i O/W/O. Nanoemulzije su transparentne ili čak prozirne (u vidljivom spektru) u zavisnosti od konzistencije i veličine kapljica. Nanoemulzije su općenito definirane veličinom kapljica između 20 i 200 nm. Sa opadajućom veličinom kapljica, sklonost emulzije ka koalescenciji se smanjuje (smanjuje Ostwaldovo sazrijevanje).
Nanomaterijale i nanoemulzije karakteriziraju fizička svojstva koja se razlikuju od mikroemulzija. Čestice nano veličine pokazuju ili potpuno drugačija svojstva ili su njihova tipična svojstva izražena u vrlo ekstremnom obliku. Vidljivi izgled nanoemulzija ima drugačiji izgled od emulzija mikronske veličine jer su kapljice premale da interferiraju sa optičkim talasnim dužinama vidljivog spektra. Stoga nanoemulzije pokazuju vrlo malo raspršivanja svjetlosti i izgledaju prozirne ili optički prozirne.
Na veličinu kapljice emulzije utiču sastav uljne faze, međufazna svojstva i viskozitet obe, kontinuirane i dispergovane faze, tip emulgatora/tenzida, brzina smicanja tokom emulgiranja, kao i rastvorljivost uljne faze u vodi.
Nanoemulzije se široko koriste u različitim aplikacijama kao što su isporuka lijekova, hrana & pića, kozmetika, farmaceutski proizvodi i nauka o materijalima & sinteza.
surfaktanti
Emulgatori su bitan faktor za pripremu stabilne emulzije/nanoemulzije. Emulgatori su površinski aktivni agensi koji formiraju zaštitni sloj oko kapljice i smanjuju međufaznu napetost, čime sprečavaju Ostwaldovo sazrijevanje, spajanje i stvaranje kreme.
Vrste surfaktanata:
- Male molekularne površinski aktivne tvari: Nejonski emulgatori kao što su Tween i Span pokazuju nisku toksičnost i iritaciju kada se daju oralno, parenteralno i dermalno i stoga su poželjniji u odnosu na ionske emulgatore. Tween i Span su poželjni stabilizatori za formulacije emulzija u prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji.
tinejdžeri: Tween 20/60/80 su poznati kao polisorbat 20/60/80 (PEG-20 dehidrirani sorbierit monolaurat, PEG-20 dehidrirani sorbijerit monostearat, polioksietilen sorbitan monooleat). Oni su nejonski surfaktanti / emulgatori izvedeni iz sorbitola. Lako se otapaju u vodi, etanolu, metanolu ili etil acetatu, ali samo malo u mineralnom ulju.
rasponi: Span20/40/60/80 su estri sorbitan masnih kiselina / sorbitan esteri, koji su nejonski surfaktanti sa svojstvima emulgiranja, dispergiranja i vlaženja. Span surfaktanti se proizvode dehidratacijom sorbitola. - Fosfolipidi: žumance, soja ili mliječni lecitin
- Amfifilni proteini: izolat proteina surutke, kazeinat
- Amfifilni polisaharidi: arapska guma, modificirani škrobovi
Literatura / Reference
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Pratap-Singh, A.; Guo, Y.; Lara Ochoa, S.; Fathordoobady, F.; Singh, A. (2021): Optimal ultrasonication process time remains constant for a specific nanoemulsion size reduction system. Scientific Report 11; 2021.
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 9(2):170-175.
- Suslick, K.S. (1999): Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.