Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschallproduktion stabiler Nanoemulsionen

  • Nanoemulsionen – auch Miniemulsionen oder Submikronemulsionen genannt – werden für zahlreiche Anwendungen in Chemie, Lacken & Beschichtungen, Kosmetika, Pharmazeutika und Lebensmitteln verwendet.
  • Power-Ultraschall ist ein zuverlässiges Verfahren für die Herstellung von langfristig stabilen Nanoemulsionen.

 

Herstellung von Nanoemulsionen mittels Ultraschall

Die Ultraschall-Emulgierung wird durch die Einkopplung von Hochleistungs-Ultraschallwellen in ein flüssiges System erreicht. Während der Beschallung einer Flüssigkeit treten zwei Mechanismen auf: (1) Im Schallfeld werden Wellen generiert, welche sich durch die Flüssigkeit fortsetzen und Mikroturbulenzen sowie eine Grenzflächenbewegung verursachen. Dadurch wird die Grenzfläche instabil, so dass die disperse (interne) Phase schließlich bricht und in der kontinuierlichen (externen) Phase Tropfen bildet. (2) Die Anwendung von niederfrequentem Hochleistungs-Ultraschall erzeugt Kavitation (Kentish et al. 2008). Bei der Ultraschallkavitation entstehen während der Druckzyklen der Ultraschallwelle Mikrobläschen bzw. Hohlräume in der Flüssigkeit. Diese Mikroblasen wachsen über mehrere Zyklen hinweg an bis sie schließlich implodieren. Diese Blasenimplosion verursacht lokal extreme Bedingungen, z.B. sehr hohe Scherraten, Flüssigkeitsstrahlen sowie extreme Heiz- und Kühlraten (Suslick 1999). Diese extremen Kräfte brechen primäre Tropfen der dispersen (internen) Phase zu Nanotropfen und mischen sie homogen in die kontinuierliche (externe) Phase.
Lesen Sie hier mehr über Ultraschallkavitation!

 

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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 Ultraschallgeräte sind zuverlässige Emulgiersysteme für die Herstellung von wirkstoffbeladenen Nanoemulsionen. Für die ultraschall-gestützte Emulgierung bietet Hielscher diverses Zubehör, um den Emulgierprozess zu optimieren. Hielscher's MultiPhaseCavitator ist eine einzigartige Ergänzung für die Ultraschall-Durchflusszellen. Der MultiPhaseCavitator ermöglicht es, die zweite Phase als sehr feinen Flüssigkeitsstrahl direkt in die „hot zone“ des Ultraschallfeldes zu injizieren.

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.

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, die Ultraschallsynthese von Latex und Ultraschallfällungsreaktionen!

1,5kW Ultraschallprozessor zum Emulgieren (Anklicken zum Vergrößern!)

Ultraschall-Emulgiersystem UIP1500hdT (1500W)

Stabilisierung von Emulsionen

Obwohl einige Nanoemulsionen aufgrund der nanoskaligen Tröpfchengröße und -verteilung ohne den Einsatz von Tensiden oder Emulgatoren lagerstabil 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 festen Partikeln, die als Stabilisatoren wirken, erreicht werden. Emulsionen, die durch feste 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 Ultraschallformulierung 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

Für die Herstellung stabiler Submikron- und Nano-Emulsionen sind leistungsstarke Ultraschallprozessoren notwendig. Hielscher's Ultraschall-Emulgiersysteme liefern sehr hohe Amplituden ( Industrie-Ultraschallanlagenbis zu 200µm, höhere Amplituden auf Anfrage), um ein intensives akustisches Feld zu generieren.
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.
Um qualitativ hochwertige Emulsionen herzustellen, bietet Ihnen Hielscher mit seinen leistungsstarken Ultraschallprozessoren in Kombination mit dem MultiPhaseCavitator die optimale Hardware.

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 Machbarkeitsstudien, Prozessentwicklung und Prozessoptimierung bieten wir Ihnen ein vollausgestattetes Prozesslabor und Technikum.
Darüber hinaus bieten wir eine umfassende Beratung, die Entwicklung kundenspezifischer Ultraschallsysteme sowie fachlich fundierten technischen Service für Installationen, Schulungen und Wartungen.

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Literatur

  • 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.


Wissenswertes

Emulsionen

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