Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Nanoemulsifikation zur Mikroverkapselung vor der Sprühtrocknung

  • Um Wirkstoffe durch Sprühtrocknung mikroverkapseln zu können, muss eine feinteilige, stabile Mikro- oder Nanoemulsion hergestellt werden.
  • Die Ultraschallemulsifikation ist eine einfache und zuverlässige Technik zur Herstellung stabiler Mikro- und Nanoemulsionen.
  • Als alternatives Tensid können Biopolymere wie gum arabi oder WPI in Ultraschallemulgierprozessen als Stabilisatoren für Lebensmittel eingesetzt werden.

 

Einkapselung

Emulsionen und Emulsionsqualität spielen eine wichtige Rolle für die Effizienz und Stabilität von öligen Mikropartikeln, die durch Verkapselungsprozesse wie die Sprühtrocknung hergestellt werden. Emulsionsstabilität, Viskosität, Tropfengröße und Öl-Wasser-Verhältnis sind entscheidende Faktoren. Bei der Verarbeitung, die mit der Herstellung der Emulsion beginnt und mit der Sprühtrocknung endet, müssen alle diese physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emulsion erhalten bleiben, um eine Verschlechterung der Mikropartikel zu vermeiden. Die Qualität der Mikroverkapselung und die Stabilität der Emulsionen sind eng miteinander verbunden und beeinflussen die Qualität der Endprodukte maßgeblich. Daher ist eine zuverlässige Emulgierungstechnik erforderlich. Die Ultraschallemulsifikation ist eine etablierte Technologie, die weltweit in verschiedenen Branchen zur Herstellung von Makro-, Nano- und Mikroemulsionen eingesetzt wird.

Ultraschall-Emulgierung

Ultraschall-Nano-Emulsionen

Hochleistungs-Ultraschallgeräte sind für Emulgierungsprozesse in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie etabliert. Die Anwendung intensiver Ultraschallwellen ist eine effiziente Methode zur Herstellung von Emulsionen mit mikron- oder nanogroßen Tröpfchen. Die Ultraschallemulsifikation basiert auf dem Prinzip der Kavitation, bei der hochintensive Ultraschallwellen und ihre Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen die Tröpfchen scheren.‘ Oberfläche, wodurch kleine Tröpfchen und stabile Emulsionen entstehen.

Emulsionsstabilisatoren

Ultraschall-Emulsionen können mit herkömmlichen Emulgatoren (z.B. Polysorbat, Sorbitan etc.), aber auch mit Biopolymeren (z.B. Guarkernmehl, Gummi arabicum, WPI etc.) stabilisiert werden. Die Industrie hat das große Potenzial von Biopolymeren als Emulsionsstabilisatoren erkannt. Insbesondere für Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikemulsionen ermöglichen Biopolymere die Entwicklung von Produkten mit einem „reine“ Etikett. Biopolymere und Biopolymerkomplexe sind in großen Mengen und in Lebensmittelqualität erhältlich. Biopolymerkomplexe (z.B. Polysaccharid-Protein-Komplexe) sind Biopolymeren überlegen, da sie verbesserte Eigenschaften bieten als jedes einzelne Polymer allein. Ein Biopolymer, bestehend aus einem Protein und einem Polysaccharid (= komplexe Kohlenhydratpolymere), bietet die Vorteile jedes Moleküls. Das Protein erhöht die Oberflächenaktivität, so dass eine höhere Oberflächenschichtsättigung bei einer deutlich niedrigeren Konzentration erreicht wird. Das Polysaccharid im Komplex reduziert die Grenzflächenspannung und damit die Energie, die zur Erzeugung neuer Oberflächen benötigt wird. Dabei fördern Polysaccharide die Bildung kleiner Tröpfchen. Ein Biopolymerkomplex bietet das Beste aus seiner beiden Komponente und macht ihn somit zu einem starken Stabilisator.

Die Sondierung ist eine etablierte Technik zur Herstellung von Nanoemulsionen.

Ultraschall-Emulgierung

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Hochleistungs-Ultraschallindikatoren

Die leistungsstarken Ultraschallprozessoren von Hielscher werden weltweit zur Herstellung von stabilen Makro-, Nano- und Mikroemulsionen eingesetzt. Mit einem Produktportfolio, das vom kleinen Handheld bis hin zur Ultraschall-Laborgeräte bis leistungsstarke industrielle Ultraschallsysteme für die kommerzielle Herstellung großer Inline-Ströme von Emulsionen bietet Ihnen Hielscher Ultrasonics den für Ihren Prozess am besten geeigneten Ultraschallgerät.
Leistungsaufnahme, Amplitude (Verschiebung an der Sonotrode), Temperatur und Durchfluss können an die Anforderungen Ihrer Formulierung angepasst werden. Unsere industriellen Ultraschallprozessoren können sehr große Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.
InsertMPC48 mit 48 feinen Kanülen, welche die zweite Phase der Emulsion direkt in die Ultraschall-Kavitation Zone einzuspritzenDie präzise Steuerung der Beschallungsparameter und die automatische Datenaufzeichnung auf einer eingebauten SD-Karte gewährleisten eine hohe Verarbeitungsqualität und ermöglichen eine Prozessstandardisierung. Alle unsere Ultraschallprozessoren sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt. Robustheit, Wartungsarmut und Benutzerfreundlichkeit sind weitere Vorteile der Ultraschallgeräte von Hielscher, die sie zu Ihrem Arbeitspferd in der Produktion machen.
Zubehör wie das einzigartige Hielscher's unique MultiPhaseCavitatorein Durchflusszelleneinsatz, der die zweite Phase über Kanülen direkt in den kavitativen Hot-Spot einspritzt (siehe Bild links), hilft beim Aufbau eines optimalen Ultraschall-Emulsifikationssystems.
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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Ultraschallemulgierung mit Hielscher UP200Ht und Sonotrode S26d14

Ultraschallvorbereitung einer Emulsion (Rotwasser / Gelböl). Nach einigen Sekunden der Ultraschallbehandlung werden die einzelnen Wasser/Öl-Phasen in eine feine Emulsion umgewandelt.


Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur

  • Campelo, Pedro Henrique; Junqueira, Luciana Affonso; de Resende, Jaime Vilela; Domingues Zacarias, Rosana; de Barros Fernandes, Regiane Victória; Alvarenga Botrel, Diego; Vilela Borges, Soraia (2017): Stabilität der Emulsion von ätherischen Kalkölen, hergestellt aus Biopolymeren und Ultraschallbehandlung. Internationales Journal of Food Properties Vol.20, Nr.S1, 2017. 564-579.
  • Maphosa, Yvonne; Jideani, Victoria A. (2018): Faktoren, die die Stabilität von Emulsionen beeinflussen, die durch Biopolymere stabilisiert sind. In: Wissenschaft und Technologie hinter Nanoemulsionen (Herausgegeben von Selcan Karakuş). 2018


Wissenswertes

Biopolymere als Emulsionsstabilisatoren

Stabilisatoren und Tenside werden für die meisten Emulsionen benötigt, um sie langzeitstabil zu machen. Biopolymere wie Polysaccharide und Proteine werden häufig als funktionelle Inhaltsstoffe in Emulsionssystemen eingesetzt. Biopolymere sind eine natürliche Art von Emulgatoren, die aufgrund ihrer Gelier- und Emulgierfähigkeit eine gute Emulsionsstabilisierungsleistung bieten. Da die Herstellung stabiler Emulsionen Voraussetzung für eine erfolgreiche Verkapselung durch Sprühtrocknung von Lebensmitteln ist, sind Biopolymere eine bevorzugte Art von Stabilisatoren. Biopolymere können einzeln oder in Kombination als Stabilisatoren eingesetzt werden.
Biopolymere wie Gummiarabikum und Molkenproteinisolat (WPI) sind kostengünstig und lassen sich leicht in der Lebensmittelproduktion verarbeiten. Gummiarabikum ist eine Mischung aus anionischen Kohlenhydraten und einigen Proteinen. Seine hochverzweigten Proteine, die eng mit der Polysaccharidstruktur verbunden sind, verleihen dem Gummi Arabicum gute emulgierende Eigenschaften. Molkenproteinisolat besteht aus einer Mischung von kugelförmigen Proteinen. Diese kugelförmigen Proteine können während der Homogenisierung schnell an der Oberfläche der Öltropfen adsorbiert werden, was die Bildung kleiner Tropfen erleichtert.
Weitere gängige Biopolymere, die als Emulgatoren verwendet werden, sind unter anderem Gelatine, Xanthangummi, Stärke, Kasein, Pektine, Maltodextrin, Ovalbumin, Natriumalginat und Carboxymethylcellulose.
Biopolymerkomplexe bestehen aus zwei oder mehreren Biopolymeren. Biopolymerkomplexe können durch chemische, enzymatische oder thermische Behandlungen synthetisiert werden. Die Komplexierung erhöht im Allgemeinen die Robustheit und Löslichkeit des endgültigen Biopolymerkomplexes und verbessert deren Gebrauchstauglichkeit und Stabilität. Insbesondere die daraus resultierende höhere Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen, pH-Wert und Ionenstärke sind wichtige Faktoren für Emulgierungsprozesse.