Ultralydsproduktion af stabile nanoemulsioner

• Nanoemulsioner – også kendt som miniemulsioner eller submikron-emulsioner – anvendes i en lang række anvendelser inden for kemi, maling, belægninger, kosmetik, lægemidler og fødevarer.
• Ultralydapparater er kendt som en yderst effektiv og pålidelig teknik til produktion af langsigtede stabile nanoemulsioner.

Hvorfor ultralyd til nanoemulgering

Ultralyd nanoemulgering er en teknik, der bruger lavfrekvente ultralydsbølger med høj effekt til at skabe stabile og ensartede emulsioner af små dråber, typisk i området 10-200 nm. Denne teknik har flere fordele i forhold til traditionelle emulgeringsmetoder, hvilket gør den overlegen i forskellige applikationer. Nogle af disse fordele er:

• Ensartet partikelstørrelse: Ultralyd nanoemulgering producerer små og ensartede dråber, som giver bedre stabilitet og biotilgængelighed. Disse dråber har et højt forhold mellem overfladeareal og volumen, hvilket gør dem mere reaktive og effektive i forskellige applikationer.
• Høj stabilitet: Ultralyd nanoemulsioner har en høj kinetisk stabilitet på grund af deres lille størrelse og ensartethed, hvilket gør dem modstandsdygtige over for koalescens, flokkulering og sedimentering. Denne stabilitet gør dem ideelle til brug i fødevarer, lægemidler, kosmetiske og kemiske applikationer.
• Reduceret energiforbrug: Ultralyd nanoemulgering kræver lavere energitilførsel end traditionelle emulgeringsmetoder såsom homogenisering eller mikrofluidisering, hvilket gør det mere energieffektivt og omkostningseffektivt.
• Alsidighed: Ultralyd nanoemulgering kan bruges til at emulgere en lang række materialer, herunder lipider, hydrofile forbindelser og vanduopløselige stoffer. Dette gør det til en alsidig teknik, der kan bruges i forskellige applikationer.
  Hurtig behandlingstid: Ultralyd nanoemulgering er en hurtig proces, der kan gennemføres på få minutter, hvilket gør den velegnet til produktion i stor skala.

Samlet set giver ultralyd nanoemulgering flere fordele i forhold til traditionelle emulgeringsmetoder, hvilket gør det til en overlegen teknik til forskellige applikationer.
 

Ultralydsdannelse af nanoemulsioner

Ultralydsemulgering er forårsaget af kobling af bølgerne af ultralyd i et flydende system. Ved sonikering af en væske opstår der to mekanismer:

1. Det akustiske felt genererer bølger, der bevæger sig gennem væsken og forårsager mikroturbulenser og en grænsefladebevægelse. Derved bliver grænsefasen ustabil, så den dispergerede (indre) fase til sidst brydes og danner dråber i den kontinuerlige (eksterne) fase.
2. Anvendelsen af lavfrekvent ultralyd med høj effekt genererer kavitation (Kentish et al. 2008). Ved ultralydkavitation dannes mikrobobler eller hulrum i mediet på grund af ultralydsbølgens trykcyklusser. Mikroboblerne / hulrummene vokser over flere bølgecyklusser, indtil de kollapser voldsomt. Denne bobleimplosion forårsager lokalt ekstreme forhold såsom meget høj forskydning, væskestråler og ekstreme opvarmnings- og kølehastigheder. (Suslick 1999).

Disse ekstreme kræfter bryder primære dråber af dispergeret (intern) fase ned til dråber i nanostørrelse og blander dem homogent i den kontinuerlige (eksterne) fase.
Læs her mere om virkningerne af ultralydskavitation på emulgering!

Farmaceutiske nanoemulsioner

Lipid miniemulsioner – Produceret af ultralyd – anvendes i vid udstrækning som bærer for farmakologiske midler i farmaceutiske formuleringer. For eksempel kan miniemulsioner fungere som parenteral lægemiddelbærer eller lægemiddelleveringsanordning til målvæv. Ud over den høje biotilgængelighed af de indkapslede aktive forbindelser ligger fordelene ved miniemulsioner i deres høje biokompatibilitet, bionedbrydelighed, stabilitet og lette produktion i stor skala. På grund af deres strukturelle egenskaber kan de inkorporere hydrofobe såvel som amfipatiske molekyler. Ultralydsfremstillede nanoemulsioner er blevet fyldt med tocopheroler, vitaminer, curcurmin og mange andre farmakologiske stoffer.
Hielschers ultralydssystemer er pålidelige emulgatorer til fremstilling af lægemiddellodrede nanoemulsioner. Til ultralydsemulgeringen tilbyder Hielscher forskelligt tilbehør til optimering af emulgeringsprocessen. Hielschers MultiPhaseCavitator er en unik tilføjelse til ultralydsflowceller, hvor den anden fase injiceres som en meget smal strøm direkte ind i ultralyds-hot spot-zonen for emulgering.

Nanoemulsioner af fødevarekvalitet

Nanoemulsioner giver forskellige fordele ved formulering af fødevarer. Nanoemulsioner viser en god stabilitet over for tyngdekraftsadskillelse, flokkulering, koalescens og tilbyder kontrolleret frigivelse og/eller absorption af funktionelle ingredienser på grund af deres lille dråbestørrelse og store overfladeareal. Derudover tilbyder de en høj biotilgængelighed af aktive forbindelser, hvilket er vigtigt for leveringen af næringsstoffer og aktive stoffer. Desuden tilbyder de gode formuleringsegenskaber, da de er gennemsigtige eller visuelt gennemskinnelige, og deres dråber i submikron/nanostørrelse giver en glat og cremet mundfølelse. Produktionen af stabile nanoemulsioner er således en allestedsnærværende opgave for fødevareindustrien, f.eks. at formulere vitamin- eller fedtsyreberigede produkter (f.eks. C-vitamin, E-vitamin, omega-3, omega-6, omega-9 afledt af plantefrø eller fiskeolie) eller at fremstille aromatiserede produkter (f.eks. med æteriske olier).

Dråbefordeling i nanostørrelse af en ultralydsdispergeret nanoemulsion (lavendelolie-i-vand-emulsion). Emulsion blev forberedt med ultralydssonden UP400St.

Kosmetiske nanoemulsioner

Især vand-i-olie (W/O) nanoemulsioner giver forskellige fordele ved indkapsling af bioaktivt hydrofilt stof i nanoskaladråber (i enkelt- eller dobbeltemulsioner).
Klik her for at læse mere om den overfladeaktive formulering af kosmetiske emulsioner med ultralyd!

miniemulsionspolymerisation

Ultralydassisteret miniemulsionspolymerisation anvendes til forskellige processer – fra indkapsling af uorganiske partikler til syntese af latexpartikler. Anvendelsen af ultralyd til kemiske reaktioner såsom polymerisation, syntese osv. er kendt som sonokemi.
Klik her for at læse mere om Sonokemi, Ultralydsyntese af latex og ultralyd nedbør!

Stabilisering af emulsion

Selvom nogle nanoemulsioner kan være hyldestabile uden brug af overfladeaktive stoffer eller emulgatorer på grund af den nanoskalerede dråbestørrelse og fordeling, kræver andre nanoemulsioner brug af stabiliseringsmidler for at opnå langsigtet stabilitet og optimal produktkvalitet. Stabilisering kan opnås ved at tilsætte enten overfladeaktive stoffer (tensider) eller faste partikler, der fungerer som stabilisatorer. Emulsioner, der stabiliseres af faste partikler, er kendt som Pickering-emulsioner. Laktose, albumin, lecithin, chitosan, cyclodextrin, maltodextrin, stivelse m.m. kan bruges som kolloide stabilisatorer i Pickering-emulsioner. Klik her for at lære mere om ultralydsgenererede Pickering-emulsioner!
Ultralydsemulgering kan udføres for alle typer emulsioner. Hvis der kræves et stabiliseringsmiddel til en bestemt emulsion, kan let testes i lille skala.
Bemærk venligst, at mængden af det nødvendige overfladeaktive stof stiger med en faldende dråbestørrelse, da overflade-areal-til-volumen-forholdet (S/V) for kugler er givet ved: S/V = 3/R. For eksempel, jo mindre diameteren af en partikel eller dråbe er, jo mere overfladeareal har den i forhold til dens volumen.

Ultralyd emulgeringsudstyr

Produktionen af stabile submikron- og nano-emulsioner kræver kraftigt ultralydsudstyr. Hielscher ultralydsemulgeringsudstyr leverer meget høje amplituder (op til 200 μm til industrielle ultralydapparater, højere amplituder efter anmodning) for at generere et intenst akustisk felt.
Til produktion af stabile nanoemulsioner er ultralydsudstyr alene imidlertid ofte ikke tilstrækkeligt. Udover tilstrækkelig ultralydseffekt er det nødvendigt med præcis kontrol af procesparametrene og sofistikeret tilbehør (såsom sonotroder, flowcellereaktorer, køling) for at opnå dråber i nanostørrelse og en homogen spredning af begge, den vandige og oliefase i hinanden.
Hielscher MultiPhaseCavitator: For at producere overlegne emulsioner med en meget smal dråbefordeling har Hielscher udviklet en unik flowcelleindsats – MultiPhaseCavitator. Med denne specielle flowcelletilføjelse injiceres den anden fase af emulsionen kontinuerligt via 48 små kanyler i kavitationszonen. Denne teknologi giver mulighed for pålidelig og effektiv produktion af meget små dråber i nanostørrelse og meget stabile emulsioner.

Hielscher Ultrasonics er specialiseret i at levere overlegne ultralydssystemer og tilbehør til optimale behandlingsresultater. Vores mangeårige erfaring inden for ultralydsbehandling og vores tætte samarbejde med vores kunder sikrer en vellykket implementering af ultralyd i produktionslinjer.
Til indledende tests, procesudvikling og procesoptimering tilbyder vi et fuldt udstyret proceslaboratorium og teknisk center.
Desuden tilbyder vi dybdegående rådgivning, udvikling af skræddersyede ultralydssystemer og dybtgående teknisk service til installation, træning og vedligeholdelse.