Producción de nanoemulsiones estables por ultrasonidos
- Nanoemulsiones – también conocidas como miniemulsiones o emulsiones submicrónicas – se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en química, pinturas, revestimientos, cosméticos, productos farmacéuticos y alimentos.
- Los ultrasonidos son conocidos como una técnica muy eficaz y fiable para la producción de nanoemulsiones estables a largo plazo.
Por qué ultrasonidos para la nanoemulsificación
La nanoemulsificación ultrasónica es una técnica que utiliza ondas ultrasónicas de baja frecuencia y alta potencia para crear emulsiones estables y uniformes de gotitas diminutas, normalmente del orden de 10-200 nm. Esta técnica tiene varias ventajas sobre los métodos tradicionales de emulsificación, que la hacen superior en diversas aplicaciones. Algunas de estas ventajas son:
- Granulometría uniforme: La nanoemulsificación ultrasónica produce gotas pequeñas y uniformes, que ofrecen mayor estabilidad y biodisponibilidad. Estas gotitas tienen una elevada relación superficie/volumen, lo que las hace más reactivas y eficaces en diversas aplicaciones.
- Gran estabilidad: Las nanoemulsiones ultrasónicas tienen una gran estabilidad cinética debido a su pequeño tamaño y uniformidad, lo que las hace resistentes a la coalescencia, floculación y sedimentación. Esta estabilidad las hace ideales para su uso en aplicaciones alimentarias, farmacéuticas, cosméticas y químicas.
- Reducción del consumo de energía: La nanoemulsificación ultrasónica requiere un menor aporte energético que los métodos de emulsificación tradicionales, como la homogeneización o la microfluidización, lo que la hace más eficiente y rentable.
- Versatilidad: La nanoemulsificación ultrasónica puede utilizarse para emulsionar una amplia gama de materiales, incluidos lípidos, compuestos hidrófilos y sustancias insolubles en agua. Esto la convierte en una técnica versátil que puede utilizarse en diversas aplicaciones.
Tiempo de procesamiento rápido: La nanoemulsificación ultrasónica es un proceso rápido que puede completarse en cuestión de minutos, por lo que resulta adecuado para la producción a gran escala.
En general, la nanoemulsificación ultrasónica ofrece varias ventajas sobre los métodos tradicionales de emulsificación, lo que la convierte en una técnica superior para diversas aplicaciones.
Preparación por ultrasonidos de una nanoemulsión transparente utilizando el ultrasonidos UP400ST.
Formación ultrasónica de nanoemulsiones
La emulsificación ultrasónica se produce al acoplar las ondas de ultrasonidos de potencia en un sistema líquido. Al sonicar un líquido, se producen dos mecanismos:
- El campo acústico genera ondas que viajan a través del líquido y provocan microturbulencias y un movimiento interfacial. De este modo, la fase límite se vuelve inestable, de modo que la fase dispersa (interna) acaba rompiéndose y formando gotitas en la fase continua (externa).
- La aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia genera cavitación (Kentish et al. 2008). Mediante la cavitación ultrasónica, se forman microburbujas o vacíos en el medio debido a los ciclos de presión de la onda ultrasónica. Las microburbujas / vacíos crecen a lo largo de varios ciclos de onda hasta que se colapsan violentamente. Esta implosión de burbujas provoca localmente condiciones extremas, como cizallamiento muy elevado, chorros de líquido y velocidades extremas de calentamiento y enfriamiento. (Suslick 1999).
Estas fuerzas extremas rompen las gotas primarias de la fase dispersa (interna) hasta convertirlas en gotas de tamaño nanométrico y las mezclan homogéneamente en la fase continua (externa).
Lea aquí más información sobre los efectos de la cavitación ultrasónica en la emulsificación.
Nanoemulsiones farmacéuticas
Miniemulsiones lipídicas – producido por ultrasonidos – se aplican ampliamente como portadores de agentes farmacológicos en formulaciones farmacéuticas. Por ejemplo, las miniemulsiones pueden actuar como portadores parenterales de fármacos o como dispositivos de administración de fármacos a tejidos diana. Además de la alta biodisponibilidad de los compuestos activos encapsulados, las ventajas de las miniemulsiones residen en su alta biocompatibilidad, biodegradabilidad, estabilidad y facilidad de producción a gran escala. Debido a sus propiedades estructurales, pueden incorporar moléculas tanto hidrófobas como anfipáticas. Las nanoemulsiones preparadas por ultrasonidos se han cargado con tocoferoles, vitaminas, curcurmina y muchas otras sustancias farmacológicas.
Los sistemas ultrasónicos de Hielscher son emulsificadores fiables para la preparación de nanoemulsiones codificadas con fármacos. Para la emulsificación ultrasónica, Hielscher ofrece diversos accesorios para optimizar el proceso de emulsificación. El MultiPhaseCavitator de Hielschers es un complemento único para las celdas de flujo ultrasónico, en el que la segunda fase se inyecta como un chorro muy estrecho directamente en la zona del punto caliente ultrasónico de emulsificación.
Ultrasonidos UP400St para la formulación de nanosuspensiones farmacéuticas con mayor biodisponibilidad.
Nanoemulsiones alimentarias
Las nanoemulsiones ofrecen diversas ventajas para la formulación de productos alimentarios. Las nanoemulsiones presentan una buena estabilidad frente a la separación gravitacional, la floculación y la coalescencia, y ofrecen una liberación controlada y/o la absorción de ingredientes funcionales gracias a su pequeño tamaño de gota y su gran superficie. Además, ofrecen una elevada biodisponibilidad de los compuestos activos, lo que es importante para la administración de nutrientes y sustancias activas. Además, ofrecen buenas propiedades de formulación, ya que son transparentes o visualmente translúcidas y sus gotas de tamaño submicrónico / nanométrico producen una sensación suave y cremosa en la boca. Por ello, la producción de nanoemulsiones estables es una tarea omnipresente para la industria alimentaria, por ejemplo, para formular productos enriquecidos con vitaminas o ácidos grasos (como vitamina C, vitamina E omega-3, omega-6, omega-9 derivados de semillas vegetales o aceite de pescado) o para elaborar productos aromatizados (por ejemplo, con aceites esenciales).
Distribución de gotas nanométricas de una nanoemulsión dispersada por ultrasonidos (emulsión de aceite en agua de lavanda). La emulsión se preparó con la sonda ultrasónica UP400St.
Nanoemulsiones cosméticas
Especialmente las nanoemulsiones de agua en aceite (A/A) ofrecen diversas ventajas para la encapsulación de sustancias hidrófilas bioactivas en gotas a nanoescala (en emulsiones simples o dobles).
Haga clic aquí para obtener más información sobre la formulación sin tensioactivos de emulsiones cosméticas con ultrasonidos.
polimerización en miniemulsión
La polimerización en miniemulsión asistida por ultrasonidos se aplica a diversos procesos – desde la encapsulación de partículas inorgánicas hasta la síntesis de partículas de látex. La aplicación de ultrasonidos de potencia a reacciones químicas como la polimerización, la síntesis, etc. se conoce como sonoquímica.
Pulse aquí para leer más sobre Sonoquímica, síntesis ultrasónica de látex y precipitación ultrasónica!
estabilización de emulsiones
Aunque algunas nanoemulsiones pueden ser estables en el estante sin utilizar ningún tensioactivo o emulsionante debido al tamaño y la distribución de las gotas a escala nanométrica, otras nanoemulsiones requieren el uso de agentes estabilizadores para obtener una estabilidad a largo plazo y una calidad óptima del producto. La estabilización puede lograrse añadiendo tensioactivos (tensoactivos) o partículas sólidas que actúen como estabilizantes. Las emulsiones estabilizadas por partículas sólidas se conocen como emulsiones Pickering. La lactosa, la albúmina, la lecitina, el quitosano, la ciclodextrina, la maltodextrina, el almidón, etc. pueden utilizarse como estabilizadores coloidales en las emulsiones Pickering. Haga clic aquí para obtener más información sobre las emulsiones Pickering generadas por ultrasonidos.
La emulsificación ultrasónica puede realizarse para todo tipo de emulsiones. Si se requiere un agente estabilizador para una emulsión específica, puede probarse fácilmente a pequeña escala.
Tenga en cuenta que la cantidad de tensioactivo necesaria aumenta al disminuir el tamaño de la gota, ya que la relación superficie/volumen (S/V) para las esferas viene dada por: S/V = 3/R. Por ejemplo, cuanto menor sea el diámetro de una partícula o gota, mayor será su superficie en relación con su volumen.
Equipo de emulsificación por ultrasonidos
La producción de emulsiones nanométricas y submicrónicas estables requiere equipos ultrasónicos potentes. Los equipos de emulsificación por ultrasonidos de Hielscher ofrecen amplitudes muy elevadas (hasta 200 µm para los ultrasonicadores industriales, amplitudes superiores bajo pedido) para generar un campo acústico intenso.
Sin embargo, para la producción de nanoemulsiones estables, los equipos de ultrasonidos de potencia por sí solos no suelen ser suficientes. Además de una potencia ultrasónica suficiente, se necesita un control preciso de los parámetros del proceso y accesorios sofisticados (como sonotrodos, reactores de celda de flujo, refrigeración) para obtener gotas de tamaño nanométrico y una dispersión homogénea de las fases acuosa y oleosa entre sí.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Para producir emulsiones superiores con una distribución de gotas muy estrecha, Hielscher ha desarrollado un inserto de célula de flujo único – el MultiPhaseCavitator. Con este complemento especial de la célula de flujo, la segunda fase de la emulsión se inyecta continuamente a través de 48 pequeñas cánulas en la zona de cavitación. Esta tecnología permite producir de forma fiable y eficaz gotas de tamaño nanométrico muy pequeñas y emulsiones muy estables.
Hielscher Ultrasonics está especializada en el suministro de sistemas de ultrasonidos y accesorios de calidad superior para obtener resultados de procesamiento óptimos. Nuestra dilatada experiencia en el procesamiento por ultrasonidos y la estrecha colaboración con nuestros clientes garantizan la implementación satisfactoria de los ultrasonidos en las líneas de producción.
Para las pruebas iniciales, el desarrollo de procesos y la optimización de procesos, ofrecemos un laboratorio de procesos y un centro técnico totalmente equipados.
Además, ofrecemos asesoramiento en profundidad, el desarrollo de sistemas de ultrasonidos personalizados y un profundo servicio técnico de instalación, formación y mantenimiento.
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Información interesante
Emulsiones, tamaño de gota y tensioactivos
Las emulsiones se definen como dos líquidos inmiscibles: Uno de los líquidos – la llamada fase dispersa o interna – se dispersa en forma de gotitas esféricas dentro del otro líquido, conocido como fase continua o externa. Los líquidos más utilizados para formar una emulsión son el aceite y el agua. Cuando la fase oleosa se dispersa en la fase acuosa/agua, el sistema es una emulsión de aceite en agua, mientras que cuando la fase acuosa/agua se dispersa en la fase oleosa, se trata de una emulsión de agua en aceite. Las emulsiones se distinguen respectivamente por su tamaño de partícula y estabilidad termodinámica como macroemulsiones, microemulsiones y nanoemulsiones.
Nanoemulsiones
Las nanoemulsiones son dispersiones nanoparticuladas formadas por gotas de tamaño nanométrico. Las elevadas fuerzas de cizallamiento de los ultrasonidos de potencia rompen las gotitas de modo que se reducen a diámetros submicrónicos y nanométricos. En general, el menor tamaño de las gotas aumenta la estabilidad de la emulsión. Las nanoemulsiones pueden distinguirse como O/W (aceite en agua), W/O (agua en aceite) o como emulsiones múltiples/dobles como W/O/W y O/W/O. Las nanoemulsiones son transparentes o incluso translúcidas (en el espectro visible) dependiendo de la consistencia y el tamaño de las gotas. Las nanoemulsiones se definen generalmente por un tamaño de gota entre 20 y 200 nm. Con un tamaño de gota descendente, la propensión de la emulsión a la coalescencia es cada vez menor (maduración de Ostwald decreciente).
Los nanomateriales y las nanoemulsiones se caracterizan por unas propiedades físicas que difieren de las microemulsiones. Las partículas de tamaño nanométrico muestran propiedades completamente distintas o sus propiedades típicas se expresan de forma muy extrema. El aspecto visible de las nanoemulsiones es diferente al de las emulsiones de tamaño micrométrico, ya que las gotitas son demasiado pequeñas para interferir con las longitudes de onda ópticas del espectro visible. Por lo tanto, las nanoemulsiones presentan muy poca dispersión de la luz y parecen transparentes u ópticamente translúcidas.
El tamaño de las gotas de una emulsión depende de la composición de la fase oleosa, las propiedades interfaciales y la viscosidad de las fases continua y dispersa, el tipo de emulsionante/surfactante, la velocidad de cizallamiento durante la emulsificación y la solubilidad de la fase oleosa en agua.
Las nanoemulsiones se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones como la administración de fármacos, la alimentación & bebidas, cosméticos, productos farmacéuticos y ciencia de los materiales & síntesis.
tensioactivos
Los emulsionantes son un factor esencial para preparar una emulsión / nanoemulsión estable. Los emulsionantes son agentes tensioactivos que forman una capa protectora sobre la gota y reducen la tensión interfacial, evitando así la maduración de Ostwald, la coalescencia y la formación de nata.
Tipos de tensioactivos:
- Tensioactivos de moléculas pequeñas: Los emulsionantes no iónicos como el Tween y el Span presentan una baja toxicidad e irritabilidad cuando se administran por vía oral, parenteral y dérmica, por lo que se prefieren a los emulsionantes iónicos. El Tween y el Span son los estabilizantes preferidos para formulaciones en emulsión en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética.
Adolescentes: Los Tween 20/60/80 se conocen como polisorbato 20/60/80 (monolaurato de sorbierita deshidratado PEG-20, monoestearato de sorbierita deshidratado PEG-20, monooleato de sorbitán polioxietilenado). Son tensioactivos / emulgentes no iónicos derivados del sorbitol. Se disuelven fácilmente en agua, etanol, metanol o acetato de etilo, pero sólo un poco en aceite mineral.
Vanos: Span20/40/60/80 son ésteres de ácidos grasos de sorbitán / ésteres de sorbitán, que son tensioactivos no iónicos con propiedades emulsionantes, dispersantes y humectantes. Los tensioactivos Span se producen por deshidratación del sorbitol. - Fosfolípidos: yema de huevo, lecitina de soja o láctea
- Proteínas anfifílicas: Aislado de proteína de suero, caseinato
- Polisacáridos anfifílicos: goma arábiga, almidones modificados
Literatura / Referencias
- 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 fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.