Ultralydsproduktion af stabile nanoemulsioner

• Nanoemulsioner – også kendt som miniemulsioner eller submikronemulsioner – anvendes inden for en lang række områder i kemi, maling, belægninger, kosmetik, lægemidler og fødevarer.
• Ultralydsapparater er kendt som en yderst effektiv og pålidelig teknik til produktion af nanoemulsioner med langvarig stabilitet.

Hvorfor bruge ultralyd til nanoemulgering

Nanoemulgering med ultralyd er en teknik, der anvender lavfrekvente ultralydsbølger med høj effekt til at skabe stabile og ensartede emulsioner af meget små dråber, typisk i området 10–200 nm. Denne teknik har flere fordele i forhold til traditionelle emulgeringsmetoder, hvilket gør den overlegen i forskellige anvendelser. Nogle af disse fordele er:

• Ensartet partikelstørrelse: Nanoemulgering med ultralyd 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 anvendelser.
• Høj stabilitet: Ultralydsproducerede nanoemulsioner har høj kinetisk stabilitet på grund af deres lille størrelse og ensartethed, hvilket gør dem modstandsdygtige over for koalescens, flokkulering og sedimentation. Denne stabilitet gør dem ideelle til anvendelse inden for fødevarer, lægemidler, kosmetik og kemi.
• Reduceret energiforbrug: Nanoemulgering med ultralyd kræver mindre energitilførsel end traditionelle emulgeringsmetoder såsom homogenisering eller mikrofluidisering, hvilket gør den mere energieffektiv og omkostningseffektiv.
• Alsidighed: Nanoemulgering med ultralyd kan bruges til at emulgere en lang række materialer, herunder lipider, hydrofile forbindelser og vanduopløselige stoffer. Det gør teknikken alsidig og anvendelig til forskellige formål.
  Kort behandlingstid: Nanoemulgering med ultralyd er en hurtig proces, der kan gennemføres på få minutter, hvilket gør den velegnet til produktion i stor skala.

Samlet set har nanoemulgering med ultralyd flere fordele i forhold til traditionelle emulgeringsmetoder, hvilket gør den til en overlegen teknik til forskellige anvendelser.
 

Dannelse af nanoemulsioner med ultralyd

Emulgering med ultralyd sker ved at koble bølger fra højeffektsultralyd ind i et væskesystem. Ved sonikering af en væske opstår to mekanismer:

1. Det akustiske felt genererer bølger, der bevæger sig gennem væsken og forårsager mikroturbulens og bevægelse ved grænsefladen. Derved bliver grænsefasen ustabil, så den dispergerede (indre) fase til sidst brydes op og danner dråber i den kontinuerte (ydre) fase.
2. Anvendelse af lavfrekvent ultralyd med høj effekt genererer kavitation (Kentish et al. 2008). Ved ultralydskavitation dannes der mikrobobler eller hulrum i mediet som følge af ultralydsbølgens trykcyklusser. Mikroboblerne / hulrummene vokser over flere bølgecyklusser, indtil de kollapser voldsomt. Denne bobleimplosion skaber lokalt ekstreme forhold såsom meget kraftig forskydning, væskestråler og ekstreme opvarmnings- og afkølingshastigheder. (Suslick 1999).

Disse ekstreme kræfter nedbryder primære dråber af den dispergerede (indre) fase til dråber i nanostørrelse og blander dem homogent ind i den kontinuerte (ydre) fase.
Læs mere her om virkningerne af ultralydskavitation på emulgering!

Farmaceutiske nanoemulsioner

Lipidminiemulsioner – fremstillet med ultralyd – anvendes i vid udstrækning som bærere for farmakologiske stoffer i farmaceutiske formuleringer. Miniemulsioner kan for eksempel fungere som parenterale lægemiddelbærere eller som systemer til levering af lægemidler til målvæv. Ud over den høje biotilgængelighed af de indkapslede aktive forbindelser ligger fordelene ved miniemulsioner i deres høje biokompatibilitet, biologiske nedbrydelighed, stabilitet og nemme produktion i stor skala. På grund af deres strukturelle egenskaber kan de inkorporere både hydrofobe og amfipatiske molekyler. Nanoemulsioner fremstillet med ultralyd er blevet tilført tokoferoler, vitaminer, curcumin og mange andre farmakologiske stoffer.
Hielschers ultralydssystemer er pålidelige emulgatorer til fremstilling af nanoemulsioner tilført lægemidler. Til emulgering med ultralyd 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 i emulgeringens ultralydshotspotzone.

Nanoemulsioner i fødevarekvalitet

Nanoemulsioner giver forskellige fordele ved formulering af fødevareprodukter. Nanoemulsioner udviser god stabilitet over for separation som følge af tyngdekraften, flokkulering og koalescens og giver kontrolleret frigivelse og/eller absorption af funktionelle ingredienser på grund af deres lille dråbestørrelse og store overfladeareal. Desuden giver de høj biotilgængelighed af aktive forbindelser, hvilket er vigtigt for leveringen af næringsstoffer og aktive stoffer. Derudover har de gode formuleringsegenskaber, da de er transparente eller visuelt translucente, og deres dråber i submikron- / nanostørrelse giver en glat og cremet mundfornemmelse. Derfor er produktion af stabile nanoemulsioner en allestedsnærværende opgave i fødevareindustrien, f.eks. ved formulering af produkter beriget med vitaminer eller fedtsyrer (f.eks. C-vitamin, E-vitamin, omega-3, omega-6, omega-9 fra plantefrø eller fiskeolie) eller ved produktion af produkter med smag (f.eks. med æteriske olier).

Størrelsesfordeling af dråber i nanostørrelse i en nanoemulsion dispergeret med ultralyd (lavendelolie-i-vand-emulsion). Emulsionen blev fremstillet med ultralydssonden UP400St.

Kosmetiske nanoemulsioner

Især vand-i-olie-nanoemulsioner (W/O) giver forskellige fordele ved indkapsling af bioaktive hydrofile stoffer i dråber i nanoskala (i enkelte eller dobbelte emulsioner).
Klik her for at læse mere om formulering af kosmetiske emulsioner uden overfladeaktive stoffer ved hjælp af ultralyd!

Miniemulsionspolymerisation

Ultralydsassisteret miniemulsionspolymerisation anvendes i forskellige processer – fra indkapsling af uorganiske partikler til syntese af latexpartikler. Anvendelse af højeffektsultralyd til kemiske reaktioner såsom polymerisation, syntese osv. er kendt som sonokemi.
Klik her for at læse mere om sonokemi, ultralydssyntese af latex og udfældning med ultralyd!

Stabilisering af emulsioner

Selvom nogle nanoemulsioner kan være stabile under opbevaring uden brug af overfladeaktive stoffer eller emulgatorer på grund af dråbestørrelsen og -fordelingen i nanoskala, kræver andre nanoemulsioner stabiliserende midler for at opnå langvarig 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 osv. kan anvendes som kolloide stabilisatorer i Pickering-emulsioner. Klik her for at få mere at vide om Pickering-emulsioner fremstillet med ultralyd!
Emulgering med ultralyd kan udføres for alle typer emulsioner. Om en bestemt emulsion kræver et stabiliserende middel, kan nemt testes i lille skala.
Bemærk, at den nødvendige mængde overfladeaktivt stof stiger med faldende dråbestørrelse, da forholdet mellem overfladeareal og volumen (S/V) for kugler er givet ved: S/V = 3/R. Jo mindre diameteren af en partikel eller dråbe er, desto større er dens overfladeareal for eksempel i forhold til dens volumen.

Udstyr til emulgering med ultralyd

Produktion af stabile submikron- og nanoemulsioner kræver kraftigt ultralydsudstyr. Hielschers udstyr til emulgering med ultralyd leverer meget høje amplituder (op til 200µm for industrielle ultralydsapparater, højere amplituder på forespørgsel) for at generere et intenst akustisk felt.
Til produktion af stabile nanoemulsioner er udstyr til højeffektsultralyd alene dog ofte ikke tilstrækkeligt. Ud over tilstrækkelig ultralydseffekt er præcis styring af procesparametrene og avanceret tilbehør (såsom sonotroder, flowcellereaktorer og køling) nødvendige for at opnå dråber i nanostørrelse og en homogen dispergering af vandfasen og oliefasen i hinanden.
Hielscher MultiPhaseCavitator: For at producere overlegne emulsioner med en meget snæver dråbestørrelsesfordeling har Hielscher udviklet en unik flowcelleindsats – MultiPhaseCavitator. Med denne særlige tilføjelse til flowcellen injiceres emulsionens anden fase kontinuerligt gennem 48 små kanyler ind i kavitationszonen. Denne teknologi muliggør 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 med ultralydsbehandling og vores tætte samarbejde med kunderne sikrer en vellykket implementering af ultralyd i produktionslinjer.
Til indledende forsøg, procesudvikling og procesoptimering tilbyder vi et fuldt udstyret proceslaboratorium og teknisk center.
Derudover tilbyder vi dybdegående rådgivning, udvikling af kundetilpassede ultralydssystemer og omfattende teknisk service til installation, oplæring og vedligeholdelse.