Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

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 & recubrimientos, cosméticos, productos farmacéuticos y alimentos.
  • Los sistemas de ultrasonidos son conocidos como herramientas fiables para la producción de nanoemulsiones estables a largo plazo.

Formación ultrasónica de nanoemulsiones

La emulsificación ultrasónica es causada por el acoplamiento de las ondas del ultrasonido de potencia en un sistema líquido. Al sonar un líquido, se producen dos mecanismos: (1) El campo acústico genera ondas que viajan a través del líquido y causan microturbulencias y un movimiento interfacial. De este modo, la fase límite se vuelve inestable, de modo que la fase dispersa (interna) finalmente se rompe y forma gotas en la fase continua (externa). (2) La aplicación de ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia genera cavitación. (Kentish et al. 2008). Por 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 ondas hasta que colapsan violentamente. Esta implosión de burbujas causa localmente condiciones extremas tales como cizallamiento muy alto, chorros de líquido y tasas extremas de calentamiento y enfriamiento. (Suslick 1999). Estas fuerzas extremas rompen las gotas primarias de la fase dispersa (interna) hasta llegar a la gota de tamaño nano y las mezclan homogéneamente en la fase continua (externa).
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Nanoemulsiones Farmacéuticas

Miniemulsiones de lípidos – producido por ultrasonidos – se aplican ampliamente como portadores de agentes farmacológicos en formulaciones farmacéuticas. Por ejemplo, las mini-emulsiones pueden actuar como portadoras de fármacos parenterales o como dispositivos de administración de fármacos en los tejidos diana. Además de la alta biodisponibilidad de los compuestos activos encapsulados, las ventajas de las mini-emulsiones radican en su alta biocompatibilidad, biodegradabilidad, estabilidad y facilidad de producción a gran escala. Debido a sus propiedades estructurales, pueden incorporar tanto moléculas hidrofóbicas como anfipáticas. Las nanoemulsiones preparadas ultrasónicamente han sido cargadas con tocoferoles, vitaminas, curcurmina y muchas otras sustancias farmacológicas.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher son emulsionantes fiables para la preparación de nanoemulsiones recubiertas de fármacos. Para la emulsificación ultrasónica, Hielscher ofrece varios accesorios para optimizar el proceso de emulsificación. Hielscher's Cavitador multifásico es un complemento único para las células de flujo ultrasónico, en las que la segunda fase se inyecta como un flujo muy estrecho directamente en el flujo ultrasónico. “zona caliente” de emulsificación.

Nanoemulsiones de calidad alimentaria

Las nanoemulsiones ofrecen diversos beneficios para la formulación de productos alimenticios. Las nanoemulsiones muestran una buena estabilidad a la separación gravitacional, floculación, coalescencia y ofrecen una liberación y/o absorción controlada de ingredientes funcionales debido a su pequeño tamaño de gota y gran superficie. Además, ofrecen una alta biodisponibilidad de compuestos activos, lo que es importante para el suministro de nutrientes y sustancias activas. Además, ofrecen buenas propiedades de formulación ya que son transparentes o visualmente translúcidas y sus gotas de tamaño submicrónico o nanométrico producen una sensación suave y cremosa en la boca. Por lo tanto, la producción de nanoemulsiones estables es una tarea omnipresente para la industria alimentaria, por ejemplo, para formular productos enriquecidos con vitaminas o ácidos grasos (por ejemplo, vitamina C, vitamina E omega-3, omega-6, omega-9 derivados de semillas vegetales o aceite de pescado) o para producir productos aromatizados (por ejemplo, con aceites esenciales).

Nanoemulsiones cosméticas

Especialmente las nanoemulsiones de agua en aceite (W/O) ofrecen varios beneficios para la encapsulación de sustancias hidrofílicas bioactivas en gotas a nanoescala (en emulsiones simples o dobles).
Haga clic aquí para leer más sobre la formulación sin surfactantes de las emulsiones cosméticas con ultrasonido.

Polimerización en miniemulsión

La miniemulsión polimerización asistida por ultrasonidos se aplica a varios procesos – desde la encapsulación de partículas inorgánicas hasta la síntesis de partículas de látex. La aplicación del ultrasonido de potencia a reacciones químicas como la polimerización, síntesis, etc. se conoce como ecoquímica.
¡Haga clic aquí para leer más sobre Sonoquímica, la síntesis ultrasónica de látex y la precipitación ultrasónica!

Procesador ultrasónico de 1.5kW para emulsificación (Click para ampliar)

Emulsionante ultrasónico UIP1500hdT (1500W)

Estabilización de la emulsión

Aunque algunas nanoemulsiones pueden ser estables en el lineal sin el uso de tensioactivos o emulsionantes debido al tamaño y 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 surfactantes (tensioactivos) o partículas sólidas que actúan como estabilizadores. Las emulsiones, que son estabilizadas por partículas sólidas, se conocen como emulsiones Pickering. Lactosa, albúmina, lecitina, quitosano, maltodextrina, almidón, etc. pueden ser usados como estabilizadores coloidales en emulsiones Pickering. Haga clic aquí para obtener más información sobre las emulsiones Pickering generadas ultrasónicamente.
La emulsificación ultrasónica se puede realizar para todo tipo de emulsiones. Si se requiere un agente estabilizador para una emulsión específica, se puede probar fácilmente en pequeña escala.
Tenga en cuenta que la cantidad de tensioactivo necesaria aumenta con un tamaño de gota decreciente, ya que la relación superficie-área/volumen (S/V) para las esferas viene dada por: S/V = 3/R. Por ejemplo, cuanto menor es el diámetro de una partícula o gota, mayor es el área de superficie que tiene en relación con su volumen.

Equipo de emulsificación ultrasónico

La producción de submicrones y nano-emulsiones estables requiere un equipo ultrasónico potente. Los equipos de emulsificación ultrasónica de Hielscher ofrecen amplitudes muy altas (hasta 200µm para ultrasonicadores industriales(amplitudes más altas a petición) para generar un campo acústico intenso.
Sin embargo, para la producción de nanoemulsiones estables, los equipos de ultrasonido de potencia por sí solos no suelen ser suficientes. Además de la suficiente potencia ultrasónica, se necesita un control preciso de los parámetros del proceso y accesorios sofisticados (como sonotrodos, reactores de celdas de flujo, enfriamiento) para obtener gotas de tamaño nanométrico y una dispersión homogénea de ambas, la fase acuosa y la fase oleosa entre sí.
Para producir emulsiones superiores, los potentes procesadores ultrasónicos de Hielscher en combinación con el Cavitador multifásico le proporciona el hardware óptimo.

Hielscher Ultrasonics está especializada en el suministro de sistemas de ultrasonidos y accesorios de alta calidad para obtener resultados de procesamiento óptimos. Nuestra larga experiencia en el procesamiento de ultrasonidos y nuestra estrecha colaboración con nuestros clientes garantizan la implementación exitosa de los ultrasonidos en las líneas de producción.
Para las pruebas iniciales, el desarrollo de procesos y la optimización de procesos, ofrecemos un servicio de laboratorio de procesos y centro técnico.
Además, ofrecemos un servicio a fondo consultoríael desarrollo de sistemas de ultrasonidos personalizados y profundo servicio técnico para la instalación, la formación y el mantenimiento.

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Literatura/Referencias

  • Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): El uso de ultrasonidos para la preparación de nanoemulsiones. Ciencia innovadora de los alimentos & Emerging Technologies 9(2):170-175.
  • Suslick, K.S. (1999): Aplicación del ultrasonido a la química de materiales. Annu. Rev. Mater. Ciencia. 1999. 29: 295–326.


Información interesante

Emulsiones

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, lo que se conoce como fase continua o externa. Los líquidos más prominentes utilizados para formar una emulsión son el aceite y el agua. Cuando la fase oleosa se dispersa en la fase acuosa, el sistema es una emulsión de aceite en agua, mientras que cuando la fase acuosa se dispersa en la fase oleosa, es una emulsión de agua en aceite. Las emulsiones se distinguen, respectivamente, por su tamaño de partícula y su estabilidad termodinámica como macroemulsiones, microemulsiones y nanoemulsiones, respectivamente.

Nanoemulsiones

Las nanoemulsiones son dispersiones de nanopartículas, que consisten en gotas de tamaño nanométrico. Las fuerzas de alto cizallamiento del ultrasonido de potencia rompen las gotitas de manera que se reducen a un diámetro submicrónico y nanométrico. Generalmente, los tamaños de gota más pequeños conducen a una mayor estabilidad de la emulsión. Las nanoemulsiones pueden distinguirse como O/W (aceite en agua), W/O (agua en aceite) o como emulsiones múltiples o 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 está disminuyendo (disminuyendo la maduración de Ostwald).
Los nanomateriales y las nanoemulsiones se caracterizan por sus propiedades físicas que difieren de las microemulsiones. Las partículas nanométricas muestran propiedades completamente diferentes o sus propiedades típicas se expresan de forma muy extrema. La apariencia visible de las nanoemulsiones es diferente a la de las emulsiones de tamaño micrométrico, ya que las gotas 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 gota de una emulsión está influenciado por la composición de la fase oleosa, las propiedades interfaciales y la viscosidad de ambas, las fases continua y dispersa, el tipo de emulsionante/surfactante, la velocidad de cizallamiento durante la emulsificación, así como la solubilidad de la fase oleosa en agua.
Las nanoemulsiones se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como la administración de medicamentos, la alimentación & bebidas, cosméticos, productos farmacéuticos y ciencia de materiales & síntesis.

Tensoactivos

Los emulsionantes son un factor esencial para preparar una emulsión / nanoemulsión estable. Los emulsionantes son agentes tensoactivos que forman una capa protectora alrededor de la gota y reducen la tensión interfacial, evitando así la maduración, la coalescencia y la formación de crema de Ostwald.
Tipos de surfactantes:

  • Surfactantes de moléculas pequeñas: Los emulsionantes no iónicos como Tween y Span presentan una baja toxicidad e irritación cuando se administran por vía oral, parenteral y dérmica, por lo que se prefieren a los emulsionantes iónicos. Tween y Span son los estabilizadores preferidos para formulaciones de emulsiones en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética.
    Los preadolescentes: Los Tween 20/60/80 se conocen como polisorbato 20/60/80 (PEG-20 monolaurato de sorbierita deshidratada, PEG-20 monoestearato de sorbierita deshidratada, monooleato de sorbitán polioxietilenado). Son surfactantes/emulsionantes no iónicos derivados del sorbitol. Se disuelven fácilmente en agua, etanol, metanol o acetato de etilo, pero sólo un poco en aceite mineral.
    Tramos: Span20/40/60/80 son ésteres de ácidos grasos sorbitán/ésteres de sorbitán, que son surfactantes no iónicos con propiedades emulsionantes, dispersantes y humectantes. Los tensioactivos de acción prolongada se producen por la deshidratación del sorbitol.
  • Fosfolípidos: yema de huevo, lecitina de soya o lecitina láctea.
  • Proteínas anfifílicas: Aislado de proteína de suero de leche, caseinato
  • Polisacáridos anfifílicos: goma arábiga, almidones modificados