Ultraschallproduktion stabiler Nanoemulsionen
- Nanoemulsionen – auch Miniemulsionen oder Submikronemulsionen genannt – werden in einer Vielzahl von Anwendungen in der Chemie, in Farben, Beschichtungen, Kosmetika, Pharmazeutika und Lebensmitteln eingesetzt.
- Ultraschallstabschwinger sind als hocheffiziente und zuverlässige Technik zur Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen bekannt.
Warum Ultraschall für die Nanoemulsifikation
Die Ultraschall-Nanoemulgierung ist eine Technik, bei der Ultraschallwellen mit niedriger Frequenz und hoher Leistung eingesetzt werden, um stabile und einheitliche Emulsionen aus winzigen Tröpfchen (typischerweise im Bereich von 10-200 nm) herzustellen. Diese Technik hat mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Emulgierverfahren, die sie in verschiedenen Anwendungen überlegen machen. Einige dieser Vorteile sind:
- Gleichmäßige Partikelgröße: Bei der Nanoemulgierung mit Ultraschall entstehen kleine und einheitliche Tröpfchen, die eine bessere Stabilität und Bioverfügbarkeit aufweisen. Diese Tröpfchen haben ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was sie reaktiver und wirksamer in verschiedenen Anwendungen macht.
- Hohe Stabilität: Ultraschall-Nanoemulsionen weisen aufgrund ihrer geringen Größe und Einheitlichkeit eine hohe kinetische Stabilität auf, die sie resistent gegen Koaleszenz, Ausflockung und Sedimentation macht. Diese Stabilität macht sie ideal für den Einsatz in Lebensmitteln, Arzneimitteln, Kosmetika und chemischen Anwendungen.
- Geringerer Energieverbrauch: Die Ultraschall-Nanoemulgierung erfordert einen geringeren Energieaufwand als herkömmliche Emulgierverfahren wie Homogenisierung oder Mikrofluidisierung, was sie energie- und kosteneffizienter macht.
- Vielseitigkeit: Die Ultraschall-Nanoemulgierung kann zur Emulgierung einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, darunter Lipide, hydrophile Verbindungen und wasserunlösliche Stoffe. Dies macht sie zu einer vielseitigen Technik, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann.
Schnelle Bearbeitungszeit: Die Ultraschall-Nanoemulgierung ist ein schnelles Verfahren, das in wenigen Minuten abgeschlossen werden kann und sich daher für die Produktion in großem Maßstab eignet.
Insgesamt bietet die Ultraschall-Nanoemulgierung mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Emulgierverfahren, was sie zu einer überlegenen Technik für verschiedene Anwendungen macht.
Herstellung einer klaren Nano-Emulsion mit dem Ultraschallhomogenisator UP400ST.
Herstellung von Nanoemulsionen mittels Ultraschall
Die Ultraschall-Emulgierung basiert auf der Einkopplung von Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit. Bei der Beschallung einer Flüssigkeit treten zwei Mechanismen auf:
- Durch die Ultraschallwellen entsteht ein akustisches Feld. Die Ultraschallwellen bewegen sich durch die Flüssigkeit und erzeugen dort Mikroturbulenzen sowie Grenzflächenbewegung. Dadurch wird die Grenzphase zwischen zwei Flüssigkeiten instabil, so dass die dispergierte (innere) Phase schließlich aufbricht und winzige Tröpfchen in der kontinuierlichen (äußeren) Phase bildet.
- Die Anwendung von niederfrequentem, hochintensivem Ultraschall erzeugt Kavitation (Kentish et al. 2008). Bei der Ultraschallkavitation bilden sich durch die alternierenden Druckzyklen der Ultraschallwellen Mikrobläschen bzw. Hohlräume im Medium. Diese Mikroblasen/Hohlräume wachsen über mehrere Ultraschallzyklen an, bis sie heftig kollabieren. Diese Blasenimplosion verursacht lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen sowie extreme Druck- und Temperaturdifferentiale. (Suslick 1999).
Durch diese extremen Kräfte werden die Primärtröpfchen der dispergierten (internen) Phase in nano-skalige Tröpfchen zerlegt und homogen mit der kontinuierlichen (externen) Phase vermischt.
Lesen Sie hier mehr über die Auswirkungen der Ultraschallkavitation auf die Emulgierung!
Pharmazeutische Nanoemulsionen
Lipid-Miniemulsionen – hergestellt mittels Ultraschall – werden als Träger für pharmakologische Wirkstoffe in pharmazeutischen Formulierungen eingesetzt. Zum Beispiel können Miniemulsionen als Träger für parenterale Arzneimittel oder als Medikamententräger Wirkstoff-Carrier fungieren, so dass der Wirkstoff erst im Zielgewebe abgegeben wird. Neben ihrer hohen Bioverfügbarkeit weisen die in einer Miniemulsion verkapselten Wirkstoffe weitere Vorteile wie eine hohen Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit sowie Produktstabilität auf. Zudem lassen sich Miniemulsionen problemlos im großen Maßstab produzieren. Aufgrund ihrer Struktur können Miniemulsionen neben amphipathischen Molekülen auch hydrophobe Stoffe integrieren. Ultraschall-produzierte miniemulsionen können mit Tocopherolen, Vitaminen, Curcurmin und viele weiteren pharmakologischen Substanzen beladen werden.
Hielscher Ultraschallstabschwinger sind zuverlässige Emulgiersysteme für die Herstellung von pharmazeutischen Nanoemulsionen. Für die Ultraschall-Emulgierung bietet Hielscher diverses Zubehör zur Optimierung des Emulgierprozesses an. Der Hielscher MultiPhaseCavitator ist ein Einsatz für Ultraschall-Durchflusszellen, bei dem die zweite Phase als sehr schmaler Strom direkt in die Ultraschall-Hot-Spot-Zone der Emulgierung injiziert wird.
Ultraschallgerät UP400St für die Formulierung von pharmazeutischen Nanosuspensionen mit erhöhter Bioverfügbarkeit.
Nanoemulsionen in Nahrungsmitteln
Nanoemulsionen bieten für die Formulierung von Lebensmitteln verschiedene Vorteile. Miniemulsionen weisen eine gute Stabilität gegen Phasenseparation, Ausflockung sowie Tropfenkoaleszenz auf und ermöglichen aufgrund ihrer sehr kleinen Tropfengröße die kontrollierte Abgabe und/oder Absorption von funktionellen Inhaltsstoffen. Darüber hinaus bieten sie eine hohe Bioverfügbarkeit der Wirkstoffe, wodurch Nähr- und Wirkstoffe effizient verwertet werden können. Darüber hinaus bieten sie gute Formulierungseigenschaften, da sie transparente bzw. optisch transluzent sind. Ihre Submikron- / nano-skaligen Tropfen verursachen ein weiches und cremiges Mundgefühl. Deshalb ist die Herstellung von stabilen Nano-Emulsionen eine allgegenwärtige Aufgabe in der Nahrungsmittelindustrie, z.B. um mit Vitaminen oder Fettsäuren angereicherte Produkte (z.B. Vitamin C, Vitamin E, Omega-3, Omega-6 und Omega-9) zu formulieren oder aromatisierte Produkte (z.B. mit ätherischen Ölen) zu produzieren.
Verteilung nanoskaliger Tröpfchen einer mit Ultraschall dispergierten Nanoemulsion (Lavendelöl-in-Wasser-Emulsion). Die Emulsion wurde hergestellt mit der Ultraschallstab UP400St.
Kosmetische Nanoemulsionen
Vor allem Wasser-in-Öl (w/o) Nanoemulsionen bieten verschiedene Vorteile für die Verkapselung bioaktiver hydrophiler Substanzen (sowohl in einfachen oder multiplen Emulsionen).
Klicken Sie hier, um mehr über die tensidfreie Formulierung von kosmetischen Emulsionen mittels Ultraschall zu erfahren!
Miniemulsionspolymerisation
Die ultraschall-gestützte Miniemulsionspolymerisation kommt für verschiedene Prozesse – von der Verkapselung anorganischer Partikel bis zur Latexpartikel-Synthese - zum Einsatz. Die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall auf chemische Reaktionen wie z.B. Polymerisation, Synthese etc. sind als Sonochemie bekannt.
Hier finden Sie weitere Informationen über die Sonochemie, Ultraschallsynthese von Latex und Ultraschallfällungsreaktionen!
Stabilisierung von Emulsionen
Obwohl einige Nanoemulsionen aufgrund der nanoskaligen Tröpfchengröße und -verteilung ohne den Einsatz von Tensiden oder Emulgatoren stabil sein können, erfordern andere Nanoemulsionen den Einsatz von Stabilisierungsmitteln, um Langzeitstabilität und optimale Produktqualität zu erreichen. Die Stabilisierung kann durch Zugabe von Tensiden (Tensiden) oder Feststoff-Partikeln, die als Stabilisatoren wirken, erreicht werden. Emulsionen, die durch Feststoff-Partikel stabilisiert sind, werden als Pickering-Emulsionen bezeichnet. Laktose, Albumin, Lecithin, Chitosan, Cyclodextrin, Maltodextrin, Stärke usw. können als kolloidale Stabilisatoren in Pickering-Emulsionen eingesetzt werden. Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschall-gestützte Formulierung von Pickering-Emulsionen zu lesen!
Die Ultraschall-Emulgierung eignet sich für die Herstellung aller Emulsionsarten. Ob für eine spezifische Emulsion ein Emulgator erforderlich ist, kann leicht im kleinem Maßstab getestet werden.
Bitte beachten Sie, dass die erforderliche Menge des Emulgators mit abnehmender Tröpfchengröße zunimmt, da sich das Oberflächen-Volumen-Verhältnis (surface/volume S/V) für Sphären folgendermaßen verhält: S/V = 3/R. D.h., je kleiner der Durchmesser eines Teilchens oder Tropfens, desto größer ist seine Oberfläche im Verhältnis zu seinem Volumen.
Ultraschall-Emulgiersysteme
Die Herstellung von stabilen Submikron- und Nanoemulsionen erfordert leistungsstarke Ultraschallgeräte. Hielscher Ultraschall-Emulgiergeräte liefern sehr hohe Amplituden (bis zu 200µm bei industriellen Ultraschallgeräten, höhere Amplituden auf Anfrage), um ein intensives Schallfeld zu erzeugen.
Für die Herstellung von stabilen Nanoemulsionen ist Hochleistungs-Ultraschall allein oft nicht ausreichend. Neben ausreichender Ultraschallleistung sind die präzise Kontrolle der Prozessparameter und ausgereiftes Zubehör (z.B. Sonotroden, Durchflussreaktoren, Kühlung) notwendig, um nano-skalige Tröpfchen sowie eine homogene Dispersion der beiden nicht-mischbaren Phasen zu erzielen.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Um besonders feine Emulsionen mit einer sehr engen Tröpfchenverteilung herzustellen, hat Hielscher einen einzigartigen Durchflusszellen-Einsatz entwickelt – den MultiPhaseCavitator. Mit diesem speziellen Zubehör für die Durchflusszelle wird die zweite Phase der Emulsion kontinuierlich über 48 kleine Kanülen in die Kavitationszone injiziert. Diese Technologie ermöglicht die zuverlässige und effiziente Herstellung von sehr kleinen Tröpfchen im Nanobereich und hochstabilen Emulsionen.
Hielscher Ultrasonics ist darauf spezialisiert, leistungsstarke Ultraschallsysteme und hochwertiges Zubehör für optimale Beschallungsergebnisse zu liefern. Unsere langjährige Erfahrung in der Herstellung von Ultraschallsystemen und deren Implemetierung sowie die unsere enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden ermöglicht uns die erfolgreiche Integration von Ultraschall in Produktionslinien.
Für erste Tests, Prozessentwicklung und Prozessoptimierung bieten wir ein voll ausgestattetes Prozesslabor und Technikum.
Darüber hinaus bieten wir umfassende Beratung, die Entwicklung kundenspezifischer Ultraschallsysteme und einen fundierten technischen Service für Installation, Schulung und Wartung.
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 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 |
| 15 bis 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Wissenswertes
Emulsionen, Tröpfchengröße und Tenside
Emulsionen sind definiert als Dispersion aus zwei (oder mehreren) nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten: Eine der Flüssigkeiten – die sogenannte disperse bzw. interne Phase – wird als sphärische Tröpfchen in der anderen Flüssigkeit - der sogenannten kontinuierlichen bzw. externen Phase - dispergiert. Die am häufigsten verwendeten Flüssigkeiten, aus denen eine Emulsion gebildet werden kann, sind Öl und Wasser. Wenn die Ölphase in der wässrigen Phase dispergiert wird, wird das System als eine Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W) bezeichnet. Ein System, bei dem die wässrige Phase in der Ölphase dispergiert ist, wird als Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O) bezeichnet. Hinsichtlich ihrer Partikelgröße und thermodynamische Stabilität werden Emulsionen als Makroemulsionen, Mikroemulsionen und Nanoemulsionen klassifiziert.
Nanoemulsionen
Bei Nano-/Miniemulsionen handelt es sich um nanopartikuläre Dispersionen, welche sich aus nano-skaligen Tropfen zusammensetzt. Die intensiven Scherkräfte von Hochleistungs-Ultraschall zerschlägt die Tropfen, so dass sie auf submikron- und nano-skaligen Durchmesser reduziert werden. In der Regel führen kleinere Tröpfchengrößen zu einer höheren Emulsionsstabilität. Nanoemulsionen werden unterteilt in O/W (Öl-in-Wasser), W/O (Wasser-in-Öl) oder multiple/doppelte Emulsionen (W/O/W und O/W/O). Nanoemulsion sind je nach Zusammensetzung und Tropfengröße transparent oder (im sichtbaren Spektralbereich) transluzent. Nanoemulsionen sind in der Regel durch eine Tröpfchengröße zwischen 20 und 200nm definiert. Mit geringer werdenden Tröpfchengröße sinkt die Tendenz zur Koaleszenz (abnehmende Ostwald-Reifung).
Nanomaterialien und Nanoemulsionen zeichnen sich durch ihre physikalischen Eigenschaften aus, welche von mikro-skaligen Materialien und Mikroemulsionen abweichen. Nanopartikel weisen entweder völlig andere Merkmale auf oder sie ihre typischen Eigenschaften treten in einer sehr extremen Form auf. So weist die optische Erscheinung von Nanoemulsionen ein völlig anderes Erscheinungsbild als Mikroemulsionen auf, da die Tröpfchen zu klein, um mit der optischen Wellenlänge des sichtbaren Spektrums zu interferieren. Daher weisen Nanoemulsionen kaum Lichtstreuung auf und erscheinen somit transparent oder optisch transparent.
Die Tropfengröße einer Emulsion wird durch die Zusammensetzung der Ölphase, die Grenzflächeneigenschaften, die Viskosität der kontinuierlichen und der dispersen Phase, die verwendeten Emulgatoren/Tenside, die Scherkräfte des Emulgierverfahrens sowie die Wasserlöslichkeit der Ölphase beeinflusst.
Der Einsatz von Nanoemulsionen ist weit verbreitet, z.B. in Medikamenten, Lebensmitteln & Getränken, Kosmetika, Pharmazeutika sowie in der Materialforschung & Synthese.
Emulgatoren & Tenside
Emulgatoren sind ein wesentlicher Faktor bei der Herstellung einer stabilen Emulsion / Nanoemulsion. Bei Emulgatoren handelt es sich um Tenside, welche eine Schutzschicht um die Tropfen legt und dadurch die Grenzflächenspannung reduziert und somit eine Ostwald-Reifung, Koaleszenz und Ausflockung verhindert.
Tensidarten:
- Niedermolekulare Tenside: Nichtionische Emulgatoren wie z.B. Tween und Span haben nur ein sehr geringes Toxizitäts- und Reizungspotential, wenn sie dermal, oral und parenteral verabreicht werden. Daher gelten sie als bevorzugte ionische Emulgatoren. Tween und Span sind die am häufigsten eingesetzten Stabilisatoren für Emulsionen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie.
Tweens: Tween 20/60/80 sind auch unter dem Namen Polysorbat 20/60/80 (PEG-20 dehydrated Sorbierite Monolaurate, PEG-20 dehydrated Sorbierite Monostearate, Polyoxyethylen-Sorbitan-Monooleat) bekannt. Sie sind nichtionische Tenside / Emulgatoren, welche aus Sorbit hergestellt werden. Sie lösen sich leicht in Wasser, Ethanol, Methanol oder Ethylacetat, sind allerdings in Mineralöl kaum löslich.
Spans: Span20/40/60/80 sind Sorbitan-Fettsäureester / Sorbitanester. Es handelt es sich um nichtionische Tenside mit Emulgier-, Dispergier- und Benetzungseigenschaften. Span-Tenside werden durch eine Dehydrierung von Sorbit hergestellt. - Phospholipide: Eigelb, Lecithin aus Soja oder Milch
- Amphiphile Proteine: Molkeneiweiß-Isolat, Caseinat
- Amphiphile Polysaccharide: Gummiarabikum, modifizierte Stärke
Literatur / Literaturhinweise
- 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 fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.