Hielscher Ultraschalltechnik

Herstellung von Handdesinfektionsmitteln mit industriellen Ultraschallmischern

Zur Herstellung von Handdesinfektionsmitteln und Desinfektionslösungen ist eine leistungsstarke Mischtechnologie erforderlich, um eine konsistente Formulierung zu erhalten. Ultraschallmischer sind die zuverlässigste und effizienteste Mischtechnologie zum Mischen und Emulgieren von zwei oder mehr Phasen, um eine homogene, stabile Formulierung von Händedesinfektionsmitteln zu erhalten.

Händedesinfektionsmittel

Handdesinfektionsmittel, auch bekannt unter den alternativen Begriffen Handantiseptikum oder Händedesinfektionsmittel (Abkürzung HDM), ist ein flüssiges Mittel, das auf die Hände aufgetragen wird, um häufig vorkommende Bakterien und Viren, die Krankheiten verursachen können (z.B. verursacht das SARS-CoV-2-Virus die Krankheit COVID-19), zu entfernen bzw. zu inaktivieren. Handdesinfektionsmittel sind in der Regel als Flüssigkeit, Schaum, Gel oder Spray erhältlich.
Handdesinfektionsmittel können mit verschiedenen Inhaltsstoffen und Zusammensetzungen formuliert werden. Zum Beispiel können Handdesinfektionsmittel entweder auf Alkoholbasis oder alkoholfrei sein. Handdesinfektionsmittel auf Alkoholbasis enthalten normalerweise zwischen 60 und 95% Alkohol. Als Alkohole werden am häufigsten Ethanol (Ethylalkohol), Isopropanol oder n-Propanol verwendet. Hochkonzentrierter Alkohol (d.h. 60% und mehr) zerstört Proteine. Durch die Denaturierung von Proteinen werden viele Krankheitserreger (krankheitserregende Mikroorganismen) inaktiviert oder abgetötet. Alkoholfreie Händedesinfektionsmittel sind ein alternatives Produkt, bei dem Desinfektionsmittel wie Benzalkoniumchlorid (BAC) oder antimikrobielle Mittel wie Triclosan als Wirkstoff verwendet werden, um Mikroorganismen zu inaktivieren oder abzutöten. Sowohl in alkoholbasierten als auch in alkoholfreien Händedesinfektionsmitteln können die Wirkstoffe gegen Krankheitserreger die Haut austrocknen, indem sie die natürliche Hautbarriere zerstören. Daher enthalten die meisten Handdesinfektionsmittel-Formulierungen hautpflegende Zusätze (z.B. Glyzerin, Öle) zur Rehydrierung der Haut. Andere Inhaltsstoffe wie Verdickungsmittel, Duftstoffe, Farbstoffe usw. können hinzugefügt werden, um Textur, Geruch und Erscheinung von Händedesinfektionsmitteln zu verändern.

Mischen von Händedesinfektionsmitteln mittels Ultraschall

Ultraschallmischer sind die effektivste Dispersions-/Emulsionstechnologie zur Herstellung von Handdesinfektionsmitteln (auch Handantiseptikum genannt), welche als Flüssigkeit, Gel, Spray oder Lotion angeboten werden.
Da Ultraschallmischer hohe Scherkräfte erzeugen, sorgen sie für die nötige Bewegung, um die Bestandteile zu einem kohäsiven Gemisch zu vermengen. Ein solch kraftvolles und zuverlässiges Mischen ist notwendig, um effektive und zuverlässige Desinfektionsmittel wie Händedesinfektionsmittel und Flächendesinfektionsmittel herzustellen.

Ultrasonic mixing and blending is used to formulate hand sanitizers.

Ultraschallmischer sind äußerst effizient beim Mischen der Komponenten von Händedesinfektionsprodukten.

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Wie funktioniert das Mischen mit Ultraschall?

Ultraschallmischer erzeugen akustische Kavitation, was zu hochintensiven Scherkräften führt. Daher werden Ultraschall-Mischsysteme häufig zum Emulgieren von zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten sowie zum Dispergieren von Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten und Slurries eingesetzt. Das Mischen und Vermischen mit Ultraschall wird durch Einkopplung von Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit oder Slurries erreicht. Hochintensive Ultraschallwellen werden über eine Ultraschallsonotrode in einen Batch-Tank oder in einen Inline-Durchflusszellenreaktor eingetragen. Nur Sonotroden-Ultraschallgeräte können die intensiven Kavitationskräfte erzeugen, welche für die Formulierung homogener und langzeitstabiler Mischungen erforderlich sind. Die Ultraschallsonotrode schwingt in der Flüssigkeit mit einer sehr hohen Frequenz (z.B. 20kHz) und erzeugt hochintensive akustische / ultraschall-generierte Kavitation in der Flüssigkeit.
Im ultraschallerzeugten Kavitationsfeld entstehen durch das Kollabieren von Kavitationsblasen starke Scherkräfte, die Tröpfchen, Agglomerate und sogar feste Partikel zerreißen. Außerdem erzeugt die Ultraschall-Kavitation Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsströme mit bis zu 1000km/h. Die kavitierenden Flüssigkeitsstrahlen treffen auf Partikelagglomerate, zerstören Tröpfchen, verbessern den Materialtransfer innerhalb von Flüssigkeiten und Schlämmen und dispergieren Feststoffe im gesamten Medium. Im Bereich der Ultraschall-Kavitation wechseln die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000 bar. Ein Rotationsmischer mit 4 Mischerflügeln müsste mit einer erstaunlichen Drehzahl von 300.000 U/min arbeiten, um die gleiche Frequenz der Druckwechselzyklen zu erreichen. Herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer Geschwindigkeitsbegrenzung keine nennenswerte Kavitation.

Formulierungen für Handdesinfektionsmittel mit Ultraschallmischung

Die Formulierung eines Handdesinfektionsmittels bestimmt die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels und das Spektrum der abtötenden Keime (d.h. antibakteriell, antimykotisch, antiviral, Wirksamkeit gegen behüllte und nackte Viren, eingekapselte Parasiten usw.).
Da der häufige Gebrauch von Alkohol und alkoholhaltigen Desinfektionsmitteln auf der Haut (z.B. an den Händen) die Haut austrocknet, was zu Entzündungen und Reizungen führen kann, enthalten hochentwickelte Handdesinfektionsmittel hautpflegende Inhaltsstoffe, z.B. Aloe Vera, Glyzerin, Jojobaöl, Hagebuttenöl usw.). Der Ultraschall-Emulgierungseffekt vermischt die verschiedenen Phasen von Alkohol, Zusatzstoffen, Ölen und Wasser zu einem stabilen und einheitlichen Handdesinfektionsmittel.

Ultrasonic emulsification with Hielscher's UP200Ht and sonotrode S26d14

Ultraschallproduktion einer Emulsion (rot angefärbtes Wasser / gelbes Öl). Nach einigen Sekunden der Ultraschallbehandlung werden die Wasser- und Öl-Phase in eine feine Emulsion umgewandelt.

Gemeinsame Inhaltsstoffe für Handdesinfektionsmittel

    v65% (oder mehr %) Alkohol (um gegen eine Vielzahl von Viren und Bakterien wirksam zu sein)
  • Hautpflegeinhaltsstoffe wie Öle, Aloe Vera, Glyzerin usw.
  • Wasser (z.B. destilliertes oder steriles Wasser)
  • Emulgator/Tensid
  • optional, Verdickungsmittel (z.B. Xanthan), Schaumbildner, Duftstoff, Sporizide (z.B. Wasserstoffperoxide zur Beseitigung von Bakteriensporen)
Die SonoStation ist ein komplettes Ultraschall-Setup, das für die Verarbeitung größerer Mengen von Handdesinfektionsmittel geeignet ist.

SonoStation – ein kompletter Ultraschalltank-Aufbau, bestehend aus Ultraschall-Sonden (hier 2x UIP2000hdT), Rührwerk und Pumpe

Wirksame Handdesinfektionsmittel gegen COVID-19

Hygiene und insbesondere Handhygiene ist ein wichtiger Faktor, um die Ausbreitung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) zu verhindern, des Virus, das die Krankheit COVID-19 verursacht. Während gründliches Händewaschen mit Wasser und Seife empfohlen wird, wann immer dies möglich ist, sind Händedesinfektionsmittel eine zuverlässige Alternative, insbesondere wenn das Händewaschen mit Wasser und Seife nicht möglich ist.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt zwei Formulierungen von Desinfektionsmitteln auf Alkoholbasis, die auf ihre Wirksamkeit gegen das Coronavirus SARS-CoV-2 getestet wurden. Wissenschaftler aus Deutschland und der Schweiz haben die Wirksamkeit der Desinfektionsmittel-Formulierungen gegen das SARS-CoV-2 getestet und bestätigt.
Sanitizer-Formulierung Nr. 1:

  • Ethanol - 80 Volumenprozent (Vol/Vol)
  • Glyzerin (auch als Glyzerin bekannt) - 1,45% vol/vol
  • Wasserstoffperoxid - 0,125% Vol/Vol

Desinfektionsmittel-Formulierung Nr. 2:

  • Isopropanol (auch bekannt als 2-Propanol oder Isopropylalkohol) - 75% vol/vol
  • Glyzerin - 1,45% Vol/Vol
  • Wasserstoffperoxid - 0,125% Vol/Vol

Beide oben genannten Handdesinfektionsmittel-Formulierungen inaktivieren das Virus bei gründlicher Anwendung nach 30 Sekunden Einwirkungszeit ausreichend.Das Mischen der oben genannten Formulierungen kann mit einem Ultraschall-Batch- oder Inline-System erfolgen.

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren

Ultraschallprozessor UIP4000hdT, ein 4kW starker Ultraschall-ReaktorHielscher Ultrasonics ist ein langjährig erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschallgeräten für Anwendungen, die das Mischen, Vermengen und Rühren von verschiedenen Flüssig/Flüssig- oder Flüssig/Fest-Mischungen beinhalten.
Für die Verarbeitung von Handdesinfektionsmitteln in Lebensmittel-/Pharmaqualität auf industrieller Ebene sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte erforderlich, um große Mengen in einer Ultraschall-Chargenanlage oder in einem kontinuierlichen Durchflusssystem zu verarbeiten. Hielscher Ultrasonics ist ein seit langem erfahrener und zuverlässiger Lieferant von Hochleistungs-Ultraschall-Mischgeräten, die weltweit in Produktionsanlagen der Lebensmittel-, Pharma-, Kosmetik- und Körperpflegeindustrie integriert sind.
Die hochentwickelten Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics lassen sich präzise steuern und geben dem Bediener die volle Kontrolle über die wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Beschallungszeit. Dies ermöglicht die Optimierung des Beschallungsprozesses und macht den Prozess so effizient und wirtschaftlich wie möglich.
Das umfangreiche Zubehör wie Sonotroden (Sonden), Booster-Hörner, Durchflusszellenreaktoren und weitere Add-Ons ermöglichen es, das Ultraschall-Mischsystem speziell für die verarbeiteten Inhaltsstoffe und die angestrebte Leistung zu konfigurieren.

Ultraschallprozesskontrolle

Präzise Kontrolle über die Ultraschall-Prozessparameter von Hielscher Ultrasonics' intelligente SoftwareAlle digitalen Hielscher-Ultraschallgeräte – vom Labor- bis zur Industriegerät – sind mit einer intelligenten Software ausgestattet, mit der der Ultraschallprozess präzise gesteuert, überwacht und kontrolliert werden kann. Amplitude, Energieeintragsgrenze, Pulszyklen und Beschallungszeit können über die benutzerfreundliche Software voreingestellt werden. Über ein farbiges Touch-Display ist das Menü leicht zugänglich und intuitiv zu bedienen. Mit der Browser-Fernsteuerung kann der Bediener das Ultraschallsystem aus der Ferne bedienen und überwachen.
Alle wichtigen Ultraschall-Prozessdaten (wie z.B. Amplitude, Temperatur, Druck, Nettoenergie, Gesamtenergie, Zeit und Datum) werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte gespeichert. Die automatische Datenprotokollierung wird in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sehr geschätzt, da sie es dem Lebensmittelhersteller ermöglicht, den Verarbeitungsprozess jeder beschallten Charge zu revidieren. Dies ermöglicht eine Standardisierung der Prozesse, eine kontinuierlich hohe Qualität des Produktes und die Umsetzung von Good Manufacturing Practices (GMP).

Ultraschallgeräte industrieller Qualität

Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise

  • Aparajita Chatterjee, Giulia Bandini, Edwin Motari, John Samuelson (2015): Ethanol and Isopropanol in Concentrations Present in Hand Sanitizers Sharply Reduce Excystation of Giardia and Entamoeba and Eliminate Oral Infectivity of Giardia Cysts in Gerbils. Antimicrobial Agents and Chemotherapy 59(11), Nov. 2015. 6749–6754.
  • Kiran A. Ramisetty; R. Shyamsunder (2011): Effect of Ultrasonication on Stability of Oil in Water Emulsions. International Journal of Drug Delivery 3, 2011. 133-142.
  • Shabbar Abbas, Khizar Hayat, Eric Karangwa, Mohanad Bashari, Xiaoming Zhang (2013): An Overview of Ultrasound-Assisted Food-Grade Nanoemulsions. Food Engineering Reviews 2013.
  • Ng Sook Han, Mahiran Basri, Mohd Basyaruddin Abd Rahman, Raja Noor Zaliha Raja Abd Rahman, Abu Bakar Salleh, Zahariah Ismail (2012): Preparation of emulsions by rotor–stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science 63, September/October 2012. 333–344.



Wissenswertes