Ultrazvuková výroba stabilních nanoemulzí
- Nanoemulze – známé také jako miniemulze nebo submikronové emulze – se používají v široké škále aplikací v chemii, barvách, nátěrech, kosmetice, farmacii a potravinářství.
- Ultrasonikátory jsou známé jako vysoce účinná a spolehlivá technika pro výrobu dlouhodobě stabilních nanoemulzí.
Proč ultrazvuk pro nanoemulgaci
Ultrazvuková nanoemulgace je technika, která využívá nízkofrekvenční, vysoce výkonné ultrazvukové vlny k vytvoření stabilních a rovnoměrných emulzí drobných kapiček, obvykle v rozmezí 10-200 nm. Tato technika má oproti tradičním metodám emulgace několik výhod, díky nimž je vynikající v různých aplikacích. Některé z těchto výhod jsou:
- Jednotná velikost částic: Ultrazvuková nanoemulgace produkuje malé a rovnoměrné kapičky, které nabízejí lepší stabilitu a biologickou dostupnost. Tyto kapičky mají vysoký poměr povrchu k objemu, díky čemuž jsou reaktivnější a účinnější v různých aplikacích.
- Vysoká stabilita: Ultrazvukové nanoemulze mají vysokou kinetickou stabilitu díky své malé velikosti a rovnoměrnosti, díky čemuž jsou odolné vůči koalescenci, flokulaci a sedimentaci. Díky této stabilitě jsou ideální pro použití v potravinářském, farmaceutickém, kosmetickém a chemickém průmyslu.
- Snížená spotřeba energie: Ultrazvuková nanoemulgace vyžaduje nižší spotřebu energie než tradiční metody emulgace, jako je homogenizace nebo mikrofluidizace, díky čemuž je energeticky účinnější a nákladově efektivnější.
- Univerzálnost: Ultrazvuková nanoemulgace může být použita k emulgaci široké škály materiálů, včetně lipidů, hydrofilních sloučenin a látek nerozpustných ve vodě. To z něj dělá všestrannou techniku, kterou lze použít v různých aplikacích.
Rychlá doba zpracování: Ultrazvuková nanoemulgace je rychlý proces, který lze dokončit během několika minut, takže je vhodný pro velkosériovou výrobu.
Celkově ultrazvuková nanoemulgace nabízí několik výhod oproti tradičním metodám emulgace, což z ní činí vynikající techniku pro různé aplikace.
Ultrazvuková příprava čiré nanoemulze pomocí UP400ST ultrasonicator.
Ultrazvuková tvorba nanoemulzí
Ultrazvuková emulgace je způsobena spojením vln výkonového ultrazvuku do kapalného systému. Při sonikaci kapaliny dochází ke dvěma mechanismům:
- Akustické pole vytváří vlny, které se šíří kapalinou a způsobují mikroturbulence a mezifázový pohyb. Tím se mezní fáze stává nestabilní, takže dispergovaná (vnitřní) fáze se nakonec zlomí a vytvoří kapičky v kontinuální (vnější) fázi.
- Aplikace nízkofrekvenčního ultrazvuku s vysokým výkonem generuje kavitaci (Kentish et al. 2008). Ultrazvukovou kavitací se v médiu tvoří mikrobubliny nebo dutiny v důsledku tlakových cyklů ultrazvukové vlny. Mikrobubliny / dutiny rostou v několika vlnových cyklech, dokud se prudce nezhroutí. Tato imploze bublin způsobuje lokálně extrémní podmínky, jako je velmi vysoký smyk, trysky kapaliny a extrémní rychlosti zahřívání a chlazení. (Šušklík 1999).
Tyto extrémní síly rozbíjejí primární kapičky dispergované (vnitřní) fáze na nanokapičky a homogenně je mísí do kontinuální (vnější) fáze.
Přečtěte si zde více o účincích ultrazvukové kavitace na emulgaci!
Farmaceutické nanoemulze
Lipidové miniemulze – Vyrobeno společností Ultrasonics – jsou široce používány jako nosiče pro farmakologická činidla ve farmaceutických přípravcích. Například miniemulze mohou působit jako parenterální nosič léčiva nebo zařízení pro dodávání léčiva do cílových tkání. Kromě vysoké biologické dostupnosti zapouzdřených účinných látek spočívají výhody miniemulzí v jejich vysoké biokompatibilitě, biologické rozložitelnosti, stabilitě a snadnosti výroby ve velkém měřítku. Díky svým strukturním vlastnostem mohou obsahovat hydrofobní i amfipatické molekuly. Ultrazvukem připravené nanoemulze byly nabity tokoferoly, vitamíny, kurkurminem a mnoha dalšími farmakologickými látkami.
Hielscherovy ultrazvukové systémy jsou spolehlivými emulgátory pro přípravu nanoemulzí s léčivy. Pro ultrazvukovou emulgaci nabízí Hielscher různé příslušenství pro optimalizaci procesu emulgace. Hielschers MultiPhaseCavitator je jedinečný doplněk pro ultrazvukové průtokové buňky, kde druhá fáze je vstřikována jako velmi úzký proud přímo do ultrazvukové horké zóny emulgace.
Ultrasonicator UP400St pro formulaci farmaceutických nanosuspenzí se zvýšenou biologickou dostupností.
Potravinářské nanoemulze
Nanoemulze nabízejí různé výhody pro formulaci potravinářských výrobků. Nanoemulze vykazují dobrou stabilitu vůči gravitační separaci, flokulaci, koalescenci a nabízejí řízené uvolňování a/nebo absorpci funkčních složek díky své malé velikosti kapiček a velkému povrchu. Kromě toho nabízejí vysokou biologickou dostupnost účinných látek, což je důležité pro dodávání živin a účinných látek. Kromě toho nabízejí dobré vlastnosti složení, protože jsou průhledné nebo vizuálně průsvitné a jejich kapičky submikronové/nano velikosti způsobují hladký a krémový pocit v ústech. Výroba stabilních nanoemulzí je tak pro potravinářský průmysl všudypřítomným úkolem, např. při výrobě produktů obohacených o vitamíny nebo mastné kyseliny (např. vitamín C, vitamín E omega-3, omega-6, omega-9 získaný z rostlinných semen nebo rybího oleje) nebo při výrobě ochucených produktů (např. s esenciálními oleji).
Distribuce nanočástic ultrazvukem dispergované nanoemulze (emulze levandulového oleje ve vodě). Byla připravena emulze s ultrazvukovou sondou UP400St.
Kosmetické nanoemulze
Zejména nanoemulze voda v oleji (W/O) nabízejí různé výhody pro zapouzdření bioaktivní hydrofilní látky do kapiček v nanoměřítku (v jednoduchých nebo dvojitých emulzích).
Klikněte zde a přečtěte si více o složení kosmetických emulzí bez povrchově aktivních látek s ultrazvukem!
Miniemulzní polymerace
Ultrazvukem asistovaná miniemulzní polymerace se aplikuje na různé procesy – Od zapouzdření anorganických částic až po syntézu latexových částic. Aplikace výkonového ultrazvuku na chemické reakce, jako je polymerace, syntéza atd., jsou známé jako sonochemie.
Klikněte zde a přečtěte si více o Sonochemie, Ultrazvuková syntéza latexu a Ultrazvukové srážení!
Stabilizace emulze
Ačkoli některé nanoemulze mohou být stabilní při skladování bez použití jakýchkoli povrchově aktivních látek nebo emulgátorů díky velikosti a distribuci kapiček v nanoměřítku, jiné nanoemulze vyžadují použití stabilizačních činidel k dosažení dlouhodobé stability a optimální kvality produktu. Stabilizace lze dosáhnout přidáním buď povrchově aktivních látek (tenzidů) nebo pevných částic, které působí jako stabilizátory. Emulze, které jsou stabilizovány pevnými částicemi, jsou známé jako Pickeringovy emulze. Laktóza, albumin, lecitin, chitosan, cyklodextrin, maltodextrin, škrob atd. mohou být použity jako koloidní stabilizátory v Pickeringových emulzích. Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukem generovaných Pickeringových emulzích!
Ultrazvuková emulgace může být provedena pro všechny typy emulzí. Pokud je pro konkrétní emulzi vyžadováno stabilizační činidlo, lze jej snadno otestovat v malém měřítku.
Vezměte prosím na vědomí, že množství potřebné povrchově aktivní látky se zvyšuje s klesající velikostí kapiček, protože poměr povrchu k objemu (S/V) pro koule je dán vztahem: S/V = 3/R. Například čím menší je průměr částice nebo kapky, tím větší povrch má vzhledem ke svému objemu.
Ultrazvukové emulgační zařízení
Výroba stabilních submikronových a nanoemulzí vyžaduje výkonné ultrazvukové zařízení. Ultrazvukové emulgační zařízení Hielscher poskytuje velmi vysoké amplitudy (až 200 μm pro průmyslové ultrazvukové přístroje, vyšší amplitudy na vyžádání) pro generování intenzivního akustického pole.
Pro výrobu stabilních nanoemulzí však samotné výkonové ultrazvukové zařízení často nestačí. Kromě dostatečného ultrazvukového výkonu je pro získání nanokapiček a homogenní disperze vodné i olejové fáze do sebe nutná přesná kontrola procesních parametrů a sofistikované příslušenství (jako jsou sonotrody, reaktory s průtokovými buňkami, chlazení).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Aby bylo možné vyrábět vynikající emulze s velmi úzkou distribucí kapiček, vyvinul Hielscher jedinečnou vložku průtokové cely – MultiPhaseCavitator. U tohoto speciálního doplňku průtokové cely je druhá fáze emulze kontinuálně vstřikována pomocí 48 malých kanyl do kavitační zóny. Tato technologie umožňuje spolehlivou a efektivní výrobu velmi malých nanokapiček a vysoce stabilních emulzí.
Hielscher Ultrasonics se specializuje na dodávky špičkových ultrazvukových systémů a příslušenství pro optimální výsledky zpracování. Naše dlouholeté zkušenosti s ultrazvukovým zpracováním a naše úzká spolupráce s našimi klienty zajišťují úspěšnou implementaci ultrazvuku do výrobních linek.
Pro počáteční testy, vývoj procesů a optimalizaci procesů nabízíme plně vybavenou procesní laboratoř a technické centrum.
Kromě toho nabízíme hloubkové poradenství, vývoj ultrazvukových systémů na míru a důkladný technický servis pro instalaci, školení a údržbu.
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Fakta, která stojí za to vědět
Emulze, velikost kapiček a povrchově aktivní látky
Emulze jsou definovány jako dvě nemísitelné kapaliny: Jedna z kapalin – tzv. dispergovaná nebo vnitřní fáze – je dispergován jako kulovité kapičky v druhé kapalině, známé jako kontinuální nebo vnější fáze. Nejdůležitějšími kapalinami používanými k vytvoření emulze jsou olej a voda. Když je olejová fáze dispergována ve vodné/vodné fázi, systém je emulzí olej ve vodě, zatímco když je vodná/vodná fáze dispergována v olejové fázi, jedná se o emulzi voda v oleji. Emulze se rozlišují podle velikosti částic a termodynamické stability jako makroemulze, mikroemulze a nanoemulze.
Nanoemulze
Nanoemulze jsou disperze nanočástic, které se skládají z nanokapiček. Vysoké smykové síly výkonového ultrazvuku roztrhnou kapičky tak, že jsou redukovány na submikronový a nano průměr. Obecně platí, že menší velikosti kapiček vedou k větší stabilitě emulze. Nanoemulze lze rozlišit jako O/W (olej ve vodě), W/O (voda v oleji) nebo jako vícenásobné/dvojité emulze, jako jsou W/O/W a O/W/O. Nanoemulze jsou průhledné nebo dokonce průsvitné (ve viditelném spektru) v závislosti na konzistenci a velikosti kapiček. Nanoemulze jsou obecně definovány velikostí kapiček mezi 20 a 200 nm. S klesající velikostí kapek klesá sklon emulze ke koalescenci (snižuje se Ostwaldovo zrání).
Nanomateriály a nanoemulze se vyznačují fyzikálními vlastnostmi, které se liší od mikroemulzí. Nanočástice vykazují buď zcela odlišné vlastnosti, nebo jsou jejich typické vlastnosti vyjádřeny ve velmi extrémní formě. Viditelný vzhled nanoemulzí má jiný vzhled než emulze o velikosti mikronů, protože kapičky jsou příliš malé na to, aby rušily optické vlnové délky viditelného spektra. Nanoemulze proto vykazují velmi malý rozptyl světla a jeví se průhledné nebo opticky průsvitné.
Velikost kapek emulze je ovlivněna složením olejové fáze, mezifázovými vlastnostmi a viskozitou obou, kontinuální a dispergované fáze, typem emulgátoru/povrchově aktivní látky, smykovou rychlostí během emulgace a také rozpustností olejové fáze ve vodě.
Nanoemulze jsou široce používány v různých aplikacích, jako je dodávání léků, potraviny & nápoje, kosmetika, farmacie a materiálové vědy & syntéza.
povrchově aktivní látky
Emulgátory jsou základním faktorem pro přípravu stabilní emulze / nanoemulze. Emulgátory jsou povrchově aktivní látky, které vytvářejí ochrannou vrstvu kolem kapky a snižují mezifázové napětí, čímž zabraňují Ostwaldovu zrání, koalescenci a krémování.
Druhy povrchově aktivních látek:
- Povrchově aktivní látky s malými molekulami: Neiontové emulgátory, jako jsou Tween a Span, vykazují nízkou toxicitu a dráždivost při perorálním, parenterálním a dermálním podání, a proto jsou upřednostňovány před iontovými emulgátory. Tween a Span jsou preferované stabilizátory pro emulzní formulace v potravinářském, farmaceutickém a kosmektickém průmyslu.
Doplnění: Tween 20/60/80 jsou známé jako polysorbát 20/60/80 (PEG-20 dehydratovaný sorbieritový monolaurát, PEG-20 dehydratovaný sorbieritmonostearát, polyoxyethylensorbitanmonooleát). Jsou to neiontové povrchově aktivní látky / emulgátory odvozené od sorbitolu. Snadno se rozpouštějí ve vodě, ethanolu, methanolu nebo ethylacetátu, ale jen málo v minerálním oleji.
Rozpětí: Span20/40/60/80 jsou estery sorbitanových mastných kyselin / estery sorbitanu, což jsou neiontové povrchově aktivní látky s emulgačními, dispergačními a smáčecími vlastnostmi. Povrchově aktivní látky se vyrábějí dehydratací sorbitolu. - Fosfolipidy: vaječný žloutek, sójový nebo mléčný lecitin
- Amfifilní proteiny: Syrovátkový proteinový izolát, kaseinát
- Amfifilní polysacharidy: arabská guma, modifikované škroby
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.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.