Herstellung stabiler Nanoemulsionen mit Ultraschall
- Nanoemulsionen – auch als Miniemulsionen oder Submikronemulsionen bezeichnet – werden in zahlreichen Anwendungen in der Chemie sowie in Farben, Beschichtungen, Kosmetika, Pharmazeutika und Lebensmitteln eingesetzt.
- Ultraschallgeräte sind als hocheffiziente und zuverlässige Technologie zur Herstellung langzeitstabiler Nanoemulsionen bekannt.
Warum Ultraschall zur Nanoemulgierung?
Die Nanoemulgierung mit Ultraschall ist ein Verfahren, bei dem niederfrequente Ultraschallwellen hoher Leistung eingesetzt werden, um stabile und gleichmäßige Emulsionen aus winzigen Tröpfchen zu erzeugen, typischerweise im Bereich von 10–200 nm. Dieses Verfahren bietet gegenüber herkömmlichen Emulgierverfahren mehrere Vorteile, die es bei verschiedenen Anwendungen überlegen machen. Zu diesen Vorteilen gehören:
- Einheitliche Partikelgröße: Die Nanoemulgierung mit Ultraschall erzeugt kleine, gleichmäßige Tröpfchen, die eine bessere Stabilität und Bioverfügbarkeit bieten. Diese Tröpfchen haben ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wodurch sie bei verschiedenen Anwendungen reaktiver und wirksamer sind.
- Hohe Stabilität: Mit Ultraschall hergestellte Nanoemulsionen weisen aufgrund der geringen Größe und Gleichmäßigkeit ihrer Tröpfchen eine hohe kinetische Stabilität auf, die sie gegen Koaleszenz, Flockung und Sedimentation beständig macht. Diese Stabilität macht sie ideal für den Einsatz in Lebensmitteln, Pharmazeutika sowie kosmetischen und chemischen Anwendungen.
- Geringerer Energieverbrauch: Die Nanoemulgierung mit Ultraschall erfordert einen geringeren Energieeintrag als herkömmliche Emulgierverfahren wie Homogenisierung oder Mikrofluidisierung und ist dadurch energieeffizienter und kostengünstiger.
- Vielseitigkeit: Die Nanoemulgierung mit Ultraschall kann zur Emulgierung einer Vielzahl von Materialien eingesetzt werden, darunter Lipide, hydrophile Verbindungen und wasserunlösliche Substanzen. Dadurch ist sie ein vielseitiges Verfahren, das sich für verschiedene Anwendungen eignet.
Kurze Verarbeitungszeit: Die Nanoemulgierung mit Ultraschall ist ein schnelles Verfahren, das innerhalb weniger Minuten abgeschlossen werden kann und sich daher für die Produktion im großen Maßstab eignet.
Insgesamt bietet die Nanoemulgierung mit Ultraschall mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Emulgierverfahren und ist damit für verschiedene Anwendungen ein überlegenes Verfahren.
Herstellung einer klaren Nanoemulsion mit Ultraschall unter Verwendung des Ultraschallgeräts UP400ST.
Bildung von Nanoemulsionen durch Ultraschall
Die Emulgierung mit Ultraschall erfolgt durch die Einkopplung von Leistungsultraschallwellen in ein flüssiges System. Bei der Beschallung einer Flüssigkeit treten zwei Mechanismen auf:
- Das akustische Feld erzeugt Wellen, die sich durch die Flüssigkeit ausbreiten und Mikroturbulenzen sowie eine Bewegung der Grenzfläche verursachen. Dadurch wird der Grenzbereich instabil, sodass die disperse (innere) Phase schließlich aufbricht und Tröpfchen in der kontinuierlichen (äußeren) Phase bildet.
- Der Einsatz von niederfrequentem Ultraschall hoher Leistung erzeugt Kavitation (Kentish et al. 2008). Bei der Ultraschallkavitation entstehen durch die Druckzyklen der Ultraschallwelle Mikroblasen oder Hohlräume im Medium. Diese Mikroblasen bzw. Hohlräume wachsen über mehrere Wellenzyklen hinweg, bis sie heftig kollabieren. Diese Blasenimplosion verursacht lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen sowie extreme Aufheiz- und Abkühlraten (Suslick 1999).
Diese extremen Kräfte zerkleinern die Primärtröpfchen der dispersen (inneren) Phase zu nanoskaligen Tröpfchen und verteilen sie homogen in der kontinuierlichen (äußeren) Phase.
Lesen Sie hier mehr über die Auswirkungen der Ultraschallkavitation auf die Emulgierung!
Pharmazeutische Nanoemulsionen
Mit Ultraschall hergestellte Lipid-Miniemulsionen werden in pharmazeutischen Formulierungen vielfach als Träger für pharmakologische Wirkstoffe eingesetzt. Miniemulsionen können beispielsweise als parenterale Wirkstoffträger oder als Systeme zur Wirkstoffabgabe an Zielgewebe dienen. Neben der hohen Bioverfügbarkeit der verkapselten Wirkstoffe liegen die Vorteile von Miniemulsionen in ihrer hohen Biokompatibilität, biologischen Abbaubarkeit und Stabilität sowie in der einfachen Herstellung im großen Maßstab. Aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften können sie sowohl hydrophobe als auch amphipathische Moleküle aufnehmen. Mit Ultraschall hergestellte Nanoemulsionen wurden mit Tocopherolen, Vitaminen, Curcumin und vielen weiteren pharmakologischen Substanzen beladen.
Die Ultraschallsysteme von Hielscher sind zuverlässige Emulgiersysteme zur Herstellung wirkstoffbeladener Nanoemulsionen. Für die Emulgierung mit Ultraschall bietet Hielscher verschiedenes Zubehör zur Optimierung des Emulgierprozesses an. Hielschers MultiPhaseCavitator ist eine einzigartige Erweiterung für Ultraschall-Durchflusszellen, bei der die zweite Phase als sehr feiner Strahl direkt in die Ultraschall-Hotspot-Zone der Emulgierung injiziert wird.
Ultraschallgerät UP400ST zur Formulierung pharmazeutischer Nanosuspensionen mit erhöhter Bioverfügbarkeit.
Nanoemulsionen in Lebensmittelqualität
Nanoemulsionen bieten verschiedene Vorteile bei der Formulierung von Lebensmitteln. Sie weisen eine gute Stabilität gegenüber schwerkraftbedingter Entmischung, Flockung und Koaleszenz auf und ermöglichen aufgrund ihrer geringen Tröpfchengröße und großen Oberfläche eine kontrollierte Freisetzung und/oder Aufnahme funktioneller Inhaltsstoffe. Darüber hinaus bieten sie eine hohe Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen, die für die Zufuhr von Nährstoffen und aktiven Substanzen wichtig ist. Zudem besitzen sie gute Formulierungseigenschaften, da sie transparent oder optisch durchscheinend sind und ihre Tröpfchen im Submikron- bzw. Nanobereich ein geschmeidiges und cremiges Mundgefühl erzeugen. Die Herstellung stabiler Nanoemulsionen ist daher eine weitverbreitete Aufgabe in der Lebensmittelindustrie, z. B. zur Formulierung von Produkten, die mit Vitaminen oder Fettsäuren angereichert sind (z. B. Vitamin C, Vitamin E, Omega-3, Omega-6, Omega-9 aus Pflanzensamen- oder Fischöl), oder zur Herstellung aromatisierter Produkte (z. B. mit ätherischen Ölen).
Tröpfchengrößenverteilung im Nanobereich einer mit Ultraschall dispergierten Nanoemulsion (Lavendelöl-in-Wasser-Emulsion). Die Herstellung der Emulsion erfolgte mit der Sonotrode des UP400St.
Kosmetische Nanoemulsionen
Insbesondere Wasser-in-Öl-Nanoemulsionen (W/O) bieten verschiedene Vorteile bei der Verkapselung bioaktiver hydrophiler Substanzen in nanoskaligen Tröpfchen (in einfachen oder doppelten Emulsionen).
Klicken Sie hier, um mehr über die tensidfreie Formulierung kosmetischer Emulsionen mit Ultraschall zu erfahren!
Miniemulsionspolymerisation
Die ultraschallunterstützte Miniemulsionspolymerisation wird bei verschiedenen Prozessen eingesetzt – von der Verkapselung anorganischer Partikel bis zur Synthese von Latexpartikeln. Die Anwendung von Leistungsultraschall auf chemische Reaktionen wie Polymerisation, Synthese usw. wird als Sonochemie bezeichnet.
Klicken Sie hier, um mehr über Sonochemie, die Ultraschallsynthese von Latex und die Fällung mit Ultraschall zu erfahren!
Stabilisierung von Emulsionen
Während einige Nanoemulsionen aufgrund ihrer nanoskaligen Tröpfchengröße und Tröpfchengrößenverteilung auch ohne Tenside oder Emulgatoren lagerstabil sein können, benötigen andere Nanoemulsionen Stabilisatoren, um Langzeitstabilität und optimale Produktqualität zu erreichen. Die Stabilisierung kann durch Zugabe von Tensiden oder von Feststoffpartikeln erfolgen, die als Stabilisatoren wirken. Emulsionen, die durch Feststoffpartikel stabilisiert werden, sind als Pickering-Emulsionen bekannt. Lactose, Albumin, Lecithin, Chitosan, Cyclodextrin, Maltodextrin, Stärke usw. können als kolloidale Stabilisatoren in Pickering-Emulsionen eingesetzt werden. Klicken Sie hier, um mehr über mit Ultraschall erzeugte Pickering-Emulsionen zu erfahren!
Die Emulgierung mit Ultraschall lässt sich bei allen Emulsionstypen einsetzen. Ob eine bestimmte Emulsion einen Stabilisator benötigt, lässt sich einfach im kleinen Maßstab testen.
Bitte beachten Sie, dass die benötigte Tensidmenge mit abnehmender Tröpfchengröße zunimmt, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (S/V) für Kugeln durch folgende Gleichung gegeben ist: S/V = 3/R. Je kleiner beispielsweise der Durchmesser eines Partikels oder Tröpfchens ist, desto größer ist seine Oberfläche im Verhältnis zu seinem Volumen.
Ultraschall-Emulgiersysteme
Die Herstellung stabiler Submikron- und Nanoemulsionen erfordert leistungsstarke Ultraschallgeräte. Die Ultraschallemulgiergeräte von Hielscher liefern sehr hohe Amplituden (bis zu 200µm bei industriellen Ultraschallgeräten, höhere Amplituden auf Anfrage), um ein intensives Schallfeld zu erzeugen.
Für die Herstellung stabiler Nanoemulsionen reichen Leistungsultraschallgeräte allein jedoch oft nicht aus. Neben ausreichender Ultraschallleistung sind eine präzise Steuerung der Prozessparameter und ausgereiftes Zubehör (wie Sonotroden, Durchflusszellenreaktoren und Kühlung) erforderlich, um nanoskalige Tröpfchen und eine homogene Dispergierung der wässrigen Phase und der Ölphase ineinander zu erzielen.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Um hochwertige Emulsionen mit einer sehr engen Tröpfchengrößenverteilung herzustellen, hat Hielscher einen einzigartigen Durchflusszelleneinsatz entwickelt – den MultiPhaseCavitator. Mit dieser speziellen Erweiterung für Durchflusszellen wird die zweite Phase der Emulsion kontinuierlich durch 48 kleine Kanülen in die Kavitationszone injiziert. Diese Technologie ermöglicht die zuverlässige und wirksame Herstellung sehr kleiner nanoskaliger Tröpfchen und hochstabiler Emulsionen.
Hielscher Ultrasonics ist auf die Bereitstellung hochwertiger Ultraschallsysteme und Zubehörteile für optimale Verarbeitungsergebnisse spezialisiert. Unsere langjährige Erfahrung in der Ultraschallverarbeitung und die enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden gewährleisten die erfolgreiche Integration von Ultraschall in Produktionslinien.
Für erste Versuche, die Prozessentwicklung und die Prozessoptimierung bieten wir ein vollständig ausgestattetes Prozesslabor und Technikum.
Darüber hinaus bieten wir umfassende Beratung, die Entwicklung kundenspezifischer Ultraschallsysteme sowie fundierten technischen Service für Installation, Schulung und Wartung.
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5mL | 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 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Wissenswertes
Emulsionen, Tröpfchengröße und Tenside
Emulsionen sind als Systeme aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten definiert: Eine der Flüssigkeiten – die sogenannte disperse oder innere Phase – ist als kugelförmige Tröpfchen in der anderen Flüssigkeit verteilt, die als kontinuierliche oder äußere Phase bezeichnet wird. Die am häufigsten zur Bildung einer Emulsion verwendeten Flüssigkeiten sind Öl und Wasser. Ist die Ölphase in der Wasserphase bzw. wässrigen Phase dispergiert, handelt es sich um eine Öl-in-Wasser-Emulsion. Ist dagegen die Wasserphase bzw. wässrige Phase in der Ölphase dispergiert, liegt eine Wasser-in-Öl-Emulsion vor. Emulsionen werden anhand ihrer Partikelgröße und thermodynamischen Stabilität in Makroemulsionen, Mikroemulsionen und Nanoemulsionen unterteilt.
Nanoemulsionen
Nanoemulsionen sind nanopartikuläre Dispersionen, die aus nanoskaligen Tröpfchen bestehen. Die hohen Scherkräfte des Leistungsultraschalls brechen die Tröpfchen auf und verringern ihren Durchmesser auf den Submikron- und Nanobereich. Im Allgemeinen führen kleinere Tröpfchengrößen zu einer höheren Emulsionsstabilität. Nanoemulsionen lassen sich in O/W (Öl-in-Wasser), W/O (Wasser-in-Öl) sowie multiple bzw. doppelte Emulsionen wie W/O/W und O/W/O unterteilen. Nanoemulsionen sind je nach Konsistenz und Tröpfchengröße transparent oder auch durchscheinend (im sichtbaren Spektrum). Nanoemulsionen werden im Allgemeinen durch eine Tröpfchengröße zwischen 20 und 200nm definiert. Mit abnehmender Tröpfchengröße nimmt die Neigung der Emulsion zur Koaleszenz ab (abnehmende Ostwald-Reifung).
Nanomaterialien und Nanoemulsionen zeichnen sich durch physikalische Eigenschaften aus, die sich von denen von Mikroemulsionen unterscheiden. Nanoskalige Partikel zeigen entweder völlig andere Eigenschaften, oder ihre typischen Eigenschaften treten in besonders extremer Ausprägung auf. Nanoemulsionen sehen anders aus als Emulsionen mit mikrometergroßen Tröpfchen, da die Tröpfchen der Nanoemulsionen zu klein sind, um mit den optischen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums zu wechselwirken. Daher zeigen Nanoemulsionen nur eine sehr geringe Lichtstreuung und erscheinen transparent oder optisch durchscheinend.
Die Tröpfchengröße einer Emulsion wird durch die Zusammensetzung der Ölphase, die Grenzflächeneigenschaften und die Viskosität sowohl der kontinuierlichen als auch der dispersen Phase, die Art des Emulgators bzw. Tensids, die Scherrate während der Emulgierung sowie die Löslichkeit der Ölphase in Wasser beeinflusst.
Nanoemulsionen werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, etwa zur Wirkstoffabgabe, in Lebensmitteln und Getränken, Kosmetika und Pharmazeutika sowie in der Materialwissenschaft und Materialsynthese.
Tenside
Emulgatoren sind ein wesentlicher Faktor bei der Herstellung einer stabilen Emulsion bzw. Nanoemulsion. Emulgatoren sind oberflächenaktive Substanzen, die eine Schutzschicht um das Tröpfchen bilden und die Grenzflächenspannung verringern. Dadurch verhindern sie Ostwald-Reifung, Koaleszenz und Aufrahmen.
Tensidtypen:
- Niedermolekulare Tenside: Nichtionische Emulgatoren wie Tween und Span weisen bei oraler, parenteraler und dermaler Verabreichung eine geringe Toxizität und Reizwirkung auf und werden daher ionischen Emulgatoren vorgezogen. Tween und Span sind die bevorzugten Stabilisatoren für Emulsionsformulierungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie.
Tweens: Tween 20/60/80 sind als Polysorbat 20/60/80 bekannt (PEG-20-dehydratisiertes Sorbieritmonolaurat, PEG-20-dehydratisiertes Sorbieritmonostearat, Polyoxyethylensorbitanmonooleat). Es handelt sich um nichtionische Tenside bzw. Emulgatoren, die von Sorbitol abgeleitet sind. Sie lösen sich leicht in Wasser, Ethanol, Methanol oder Ethylacetat, jedoch nur geringfügig in Mineralöl.
Spans: Span20/40/60/80 sind Sorbitanfettsäureester bzw. Sorbitanester. Diese nichtionischen Tenside besitzen emulgierende, dispergierende und benetzende Eigenschaften. Span-Tenside werden durch Dehydratisierung von Sorbitol hergestellt. - Phospholipide: Lecithin aus Eigelb, Soja oder Milch
- Amphiphile Proteine: Molkenproteinisolat, Caseinat
- Amphiphile Polysaccharide: Gummi arabicum, modifizierte Stärken
Literatur / Quellen
- 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-Ultraschallhomogenisatoren vom Laborgerät bis zur Industrieanlage.