Παραγωγή σταθερών νανογαλακτωμάτων με υπερήχους

• Τα νανογαλακτώματα – γνωστά και ως μινιγαλακτώματα ή υπομικρονικά γαλακτώματα – χρησιμοποιούνται σε ευρύ φάσμα εφαρμογών στη χημεία, στα χρώματα, στις επιστρώσεις, στα καλλυντικά, στα φαρμακευτικά προϊόντα και στα τρόφιμα.
• Η χρήση συσκευών υπερήχων είναι γνωστή ως ιδιαίτερα αποδοτική και αξιόπιστη τεχνική για την παραγωγή νανογαλακτωμάτων με μακροχρόνια σταθερότητα.

Γιατί να χρησιμοποιήσετε υπερήχους για νανογαλακτωματοποίηση

Η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί κύματα υπερήχων χαμηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος για τη δημιουργία σταθερών και ομοιόμορφων γαλακτωμάτων από μικροσκοπικά σταγονίδια, συνήθως στην περιοχή των 10–200 nm. Η τεχνική αυτή έχει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών μεθόδων γαλακτωματοποίησης, τα οποία την καθιστούν ανώτερη σε διάφορες εφαρμογές. Μερικά από αυτά τα πλεονεκτήματα είναι:

• Ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων: Η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους παράγει μικρά και ομοιόμορφα σταγονίδια, τα οποία προσφέρουν καλύτερη σταθερότητα και βιοδιαθεσιμότητα. Τα σταγονίδια αυτά έχουν υψηλό λόγο επιφάνειας προς όγκο, γεγονός που τα καθιστά πιο δραστικά και αποτελεσματικά σε διάφορες εφαρμογές.
• Υψηλή σταθερότητα: Τα νανογαλακτώματα που παράγονται με υπερήχους έχουν υψηλή κινητική σταθερότητα λόγω του μικρού μεγέθους και της ομοιομορφίας τους, γεγονός που τα καθιστά ανθεκτικά στη συνένωση, στην κροκίδωση και στην καθίζηση. Αυτή η σταθερότητα τα καθιστά ιδανικά για χρήση σε τρόφιμα, φαρμακευτικά προϊόντα, καλλυντικές και χημικές εφαρμογές.
• Μειωμένη κατανάλωση ενέργειας: Η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους απαιτεί μικρότερη εισροή ενέργειας από τις παραδοσιακές μεθόδους γαλακτωματοποίησης, όπως η ομογενοποίηση ή η μικρορευστοποίηση, γεγονός που την καθιστά ενεργειακά αποδοτικότερη και οικονομικότερη.
• Ευελιξία: Η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη γαλακτωματοποίηση ενός ευρέος φάσματος υλικών, συμπεριλαμβανομένων λιπιδίων, υδρόφιλων ενώσεων και ουσιών αδιάλυτων στο νερό. Αυτό την καθιστά μια ευέλικτη τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές.
  Σύντομος χρόνος επεξεργασίας: Η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους είναι μια ταχεία διεργασία που μπορεί να ολοκληρωθεί σε λίγα λεπτά, γεγονός που την καθιστά κατάλληλη για παραγωγή μεγάλης κλίμακας.

Συνολικά, η νανογαλακτωματοποίηση με υπερήχους προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών μεθόδων γαλακτωματοποίησης, γεγονός που την καθιστά ανώτερη τεχνική για διάφορες εφαρμογές.
 

Σχηματισμός νανογαλακτωμάτων με υπερήχους

Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους προκαλείται με τη σύζευξη κυμάτων υπερήχων ισχύος σε ένα υγρό σύστημα. Κατά την κατεργασία ενός υγρού με υπερήχους, εκδηλώνονται δύο μηχανισμοί:

1. Το ακουστικό πεδίο παράγει κύματα που διαδίδονται μέσα στο υγρό και προκαλούν μικροστροβιλισμούς και κίνηση στη διεπιφάνεια. Έτσι, η οριακή φάση γίνεται ασταθής, με αποτέλεσμα η διεσπαρμένη (εσωτερική) φάση τελικά να διασπάται και να σχηματίζει σταγονίδια μέσα στη συνεχή (εξωτερική) φάση.
2. Η εφαρμογή υπερήχων χαμηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος δημιουργεί σπηλαίωση (Kentish et al. 2008). Μέσω της σπηλαίωσης που προκαλείται από τους υπερήχους, σχηματίζονται μικροφυσαλίδες ή κοιλότητες στο μέσο λόγω των κύκλων πίεσης του υπερηχητικού κύματος. Οι μικροφυσαλίδες / κοιλότητες μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων του κύματος, μέχρι να καταρρεύσουν βίαια. Αυτή η κατάρρευση των φυσαλίδων προκαλεί τοπικά ακραίες συνθήκες, όπως πολύ υψηλή διάτμηση, πίδακες υγρού και ακραίους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης. (Suslick 1999).

Αυτές οι ακραίες δυνάμεις διασπούν τα αρχικά σταγονίδια της διεσπαρμένης (εσωτερικής) φάσης σε σταγονίδια νανομετρικού μεγέθους και τα αναμειγνύουν ομοιογενώς μέσα στη συνεχή (εξωτερική) φάση.
Διαβάστε εδώ περισσότερα για τις επιδράσεις της σπηλαίωσης που προκαλείται από τους υπερήχους στη γαλακτωματοποίηση!

Φαρμακευτικά νανογαλακτώματα

Τα λιπιδικά μινιγαλακτώματα – που παράγονται με υπερήχους – χρησιμοποιούνται ευρέως ως φορείς φαρμακολογικών παραγόντων σε φαρμακευτικά σκευάσματα. Για παράδειγμα, τα μινιγαλακτώματα μπορούν να λειτουργήσουν ως φορείς φαρμάκων για παρεντερική χορήγηση ή ως συστήματα χορήγησης φαρμάκων σε ιστούς στόχους. Εκτός από την υψηλή βιοδιαθεσιμότητα των ενθυλακωμένων δραστικών ενώσεων, τα πλεονεκτήματα των μινιγαλακτωμάτων έγκεινται στην υψηλή βιοσυμβατότητα, τη βιοαποδομησιμότητα, τη σταθερότητα και την ευκολία παραγωγής τους σε μεγάλη κλίμακα. Χάρη στις δομικές τους ιδιότητες, μπορούν να ενσωματώνουν τόσο υδρόφοβα όσο και αμφιπαθητικά μόρια. Νανογαλακτώματα που παρασκευάζονται με υπερήχους έχουν φορτωθεί με τοκοφερόλες, βιταμίνες, κουρκουμίνη και πολλές άλλες φαρμακολογικές ουσίες.
Τα συστήματα υπερήχων της Hielscher είναι αξιόπιστοι γαλακτωματοποιητές για την παρασκευή νανογαλακτωμάτων φορτωμένων με φάρμακα. Για τη γαλακτωματοποίηση με υπερήχους, η Hielscher προσφέρει διάφορα εξαρτήματα για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας γαλακτωματοποίησης. Το MultiPhaseCavitator της Hielscher είναι ένα μοναδικό πρόσθετο εξάρτημα για κυψελίδες ροής υπερήχων, στο οποίο η δεύτερη φάση εγχέεται ως πολύ λεπτή ροή απευθείας στη ζώνη εντοπισμένης έντονης δράσης των υπερήχων όπου πραγματοποιείται η γαλακτωματοποίηση.

Νανογαλακτώματα κατάλληλα για τρόφιμα

Τα νανογαλακτώματα προσφέρουν διάφορα οφέλη για την παρασκευή προϊόντων διατροφής. Παρουσιάζουν καλή σταθερότητα έναντι του διαχωρισμού λόγω βαρύτητας, της κροκίδωσης και της συνένωσης των σταγονιδίων και προσφέρουν ελεγχόμενη απελευθέρωση ή/και απορρόφηση λειτουργικών συστατικών χάρη στο μικρό μέγεθος των σταγονιδίων και τη μεγάλη επιφάνειά τους. Επιπλέον, προσφέρουν υψηλή βιοδιαθεσιμότητα των δραστικών ενώσεων, η οποία είναι σημαντική για τη χορήγηση θρεπτικών συστατικών και δραστικών ουσιών. Ακόμη, προσφέρουν καλές ιδιότητες για τη διαμόρφωση προϊόντων, καθώς είναι διαφανή ή οπτικά ημιδιαφανή και τα σταγονίδιά τους, υπομικρονικού ή νανομετρικού μεγέθους, δημιουργούν λεία και κρεμώδη αίσθηση στο στόμα. Επομένως, η παραγωγή σταθερών νανογαλακτωμάτων αποτελεί διαρκές ζητούμενο για τη βιομηχανία τροφίμων, π.χ. για την παρασκευή προϊόντων εμπλουτισμένων με βιταμίνες ή λιπαρά οξέα (π.χ. βιταμίνη C, βιταμίνη E, ωμέγα-3, ωμέγα-6, ωμέγα-9 που προέρχονται από φυτικούς σπόρους ή ιχθυέλαιο) ή για την παραγωγή αρωματισμένων προϊόντων (π.χ. με αιθέρια έλαια).

Κατανομή σταγονιδίων νανομετρικού μεγέθους ενός νανογαλακτώματος που έχει διασπαρεί με υπερήχους (γαλάκτωμα ελαίου λεβάντας σε νερό). Το γαλάκτωμα παρασκευάστηκε με τον καθετήρα υπερήχων UP400St.

Νανογαλακτώματα καλλυντικών

Ειδικά τα νανογαλακτώματα νερού σε έλαιο (W/O) προσφέρουν διάφορα οφέλη για την ενθυλάκωση βιοδραστικής υδρόφιλης ουσίας σε σταγονίδια νανοκλίμακας (σε απλά ή διπλά γαλακτώματα).
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την παρασκευή γαλακτωμάτων καλλυντικών χωρίς επιφανειοδραστικές ουσίες με τη χρήση υπερήχων!

Πολυμερισμός σε μινιγαλάκτωμα

Ο πολυμερισμός σε μινιγαλάκτωμα με υποβοήθηση υπερήχων εφαρμόζεται σε διάφορες διεργασίες – από την ενθυλάκωση ανόργανων σωματιδίων έως τη σύνθεση σωματιδίων λάτεξ. Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος σε χημικές αντιδράσεις, όπως ο πολυμερισμός, η σύνθεση κ.λπ., είναι γνωστή ως ηχοχημεία.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα για την ηχοχημεία, τη σύνθεση λάτεξ με υπερήχους και την κατακρήμνιση με υπερήχους!

Σταθεροποίηση γαλακτωμάτων

Παρόλο που ορισμένα νανογαλακτώματα μπορούν να παραμένουν σταθερά κατά την αποθήκευση χωρίς τη χρήση οποιωνδήποτε επιφανειοδραστικών ουσιών ή γαλακτωματοποιητών, χάρη στο νανομετρικό μέγεθος και την κατανομή των σταγονιδίων, άλλα νανογαλακτώματα απαιτούν τη χρήση σταθεροποιητικών παραγόντων για την επίτευξη μακροχρόνιας σταθερότητας και βέλτιστης ποιότητας προϊόντος. Η σταθεροποίηση μπορεί να επιτευχθεί με την προσθήκη είτε επιφανειοδραστικών ουσιών (τασιενεργών) είτε στερεών σωματιδίων που λειτουργούν ως σταθεροποιητές. Τα γαλακτώματα που σταθεροποιούνται με στερεά σωματίδια είναι γνωστά ως γαλακτώματα Pickering. Η λακτόζη, η αλβουμίνη, η λεκιθίνη, η χιτοζάνη, η κυκλοδεξτρίνη, η μαλτοδεξτρίνη, το άμυλο κ.λπ. μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κολλοειδείς σταθεροποιητές σε γαλακτώματα Pickering. Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα γαλακτώματα Pickering που παράγονται με υπερήχους!
Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους μπορεί να πραγματοποιηθεί για όλους τους τύπους γαλακτωμάτων. Το αν απαιτείται σταθεροποιητικός παράγοντας για ένα συγκεκριμένο γαλάκτωμα μπορεί εύκολα να ελεγχθεί σε μικρή κλίμακα.
Λάβετε υπόψη ότι η απαιτούμενη ποσότητα επιφανειοδραστικής ουσίας αυξάνεται καθώς μειώνεται το μέγεθος των σταγονιδίων, καθώς ο λόγος επιφάνειας προς όγκο (S/V) για τις σφαίρες δίνεται από τη σχέση: S/V = 3/R. Για παράδειγμα, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος ενός σωματιδίου ή σταγονιδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνειά του σε σχέση με τον όγκο του.

Εξοπλισμός γαλακτωματοποίησης με υπερήχους

Η παραγωγή σταθερών υπομικρονικών γαλακτωμάτων και νανογαλακτωμάτων απαιτεί ισχυρό εξοπλισμό υπερήχων. Ο εξοπλισμός γαλακτωματοποίησης με υπερήχους της Hielscher παρέχει πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης (έως 200µm για τις βιομηχανικές συσκευές υπερήχων, με υψηλότερα πλάτη κατόπιν αιτήματος), ώστε να δημιουργείται έντονο ακουστικό πεδίο.
Ωστόσο, για την παραγωγή σταθερών νανογαλακτωμάτων, ο εξοπλισμός υπερήχων ισχύος από μόνος του συχνά δεν επαρκεί. Εκτός από την επαρκή ισχύ υπερήχων, απαιτούνται ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας και προηγμένα παρελκόμενα (όπως ηχοτρόδια, αντιδραστήρες κυψελίδας ροής και ψύξη), ώστε να επιτυγχάνονται σταγονίδια νανομεγέθους και ομοιογενής διασπορά τόσο της υδατικής όσο και της ελαιώδους φάσης η μία μέσα στην άλλη.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Για την παραγωγή γαλακτωμάτων ανώτερης ποιότητας με πολύ στενή κατανομή μεγέθους σταγονιδίων, η Hielscher έχει αναπτύξει ένα μοναδικό ένθετο κυψελίδας ροής – το MultiPhaseCavitator. Με αυτό το ειδικό πρόσθετο εξάρτημα κυψελίδας ροής, η δεύτερη φάση του γαλακτώματος εγχέεται συνεχώς μέσω 48 μικρών σωληνίσκων στη ζώνη σπηλαίωσης. Αυτή η τεχνολογία επιτρέπει την αξιόπιστη και αποτελεσματική παραγωγή πολύ μικρών σταγονιδίων νανομεγέθους και εξαιρετικά σταθερών γαλακτωμάτων.

Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται στην προμήθεια ανώτερων συστημάτων υπερήχων και παρελκομένων για βέλτιστα αποτελέσματα επεξεργασίας. Η μακροχρόνια εμπειρία μας στην κατεργασία με υπερήχους και η στενή συνεργασία μας με τους πελάτες μας διασφαλίζουν την επιτυχή ενσωμάτωση των υπερήχων στις γραμμές παραγωγής.
Για αρχικές δοκιμές, ανάπτυξη και βελτιστοποίηση διεργασιών, προσφέρουμε ένα πλήρως εξοπλισμένο εργαστήριο διεργασιών και τεχνικό κέντρο.
Επιπλέον, προσφέρουμε διεξοδικές συμβουλευτικές υπηρεσίες, ανάπτυξη εξατομικευμένων συστημάτων υπερήχων και εξειδικευμένη τεχνική υποστήριξη για την εγκατάσταση, την εκπαίδευση και τη συντήρηση.