Producción ultrasónica de nanoemulsiones estables
- Las nanoemulsiones –también conocidas como miniemulsiones o emulsiones submicrométricas– se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en química, pinturas, recubrimientos, cosmética, productos farmacéuticos y alimentos.
- Los ultrasonicadores constituyen una técnica reconocida por su alta eficiencia y fiabilidad para producir nanoemulsiones estables a largo plazo.
Por qué utilizar ultrasonidos para la nanoemulsificación
La nanoemulsificación ultrasónica es una técnica que utiliza ondas de ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia para crear emulsiones estables y uniformes de gotas diminutas, normalmente en el intervalo de 10–200 nm. Esta técnica presenta varias ventajas frente a los métodos tradicionales de emulsificación, que la hacen superior en diversas aplicaciones. Algunas de estas ventajas son:
- Tamaño de partícula uniforme: La nanoemulsificación ultrasónica produce gotas pequeñas y uniformes que ofrecen una mayor estabilidad y biodisponibilidad. Estas gotas presentan una elevada relación entre superficie y volumen, lo que las hace más reactivas y eficaces en diversas aplicaciones.
- Alta estabilidad: Las nanoemulsiones ultrasónicas presentan una alta estabilidad cinética debido a su pequeño tamaño y uniformidad, lo que las hace resistentes a la coalescencia, la floculación y la sedimentación. Esta estabilidad las hace ideales para aplicaciones alimentarias, farmacéuticas, cosméticas y químicas.
- Menor consumo energético: La nanoemulsificación ultrasónica requiere un menor aporte de energía que los métodos tradicionales de emulsificación, como la homogeneización o la microfluidización, lo que la hace más eficiente desde el punto de vista energético y más rentable.
- Versatilidad: La nanoemulsificación ultrasónica permite emulsionar una amplia variedad de materiales, incluidos lípidos, compuestos hidrófilos y sustancias insolubles en agua. Esto la convierte en una técnica versátil que puede utilizarse en diversas aplicaciones.
Procesamiento rápido: La nanoemulsificación ultrasónica es un proceso rápido que puede completarse en minutos, por lo que resulta adecuado para la producción a gran escala.
En conjunto, la nanoemulsificación ultrasónica ofrece varias ventajas frente a los métodos tradicionales de emulsificación, lo que la convierte en una técnica superior para diversas aplicaciones.
Preparación ultrasónica de una nanoemulsión transparente con el ultrasonicador UP400ST.
Formación ultrasónica de nanoemulsiones
La emulsificación ultrasónica se produce mediante el acoplamiento de ondas de ultrasonidos de potencia a un sistema líquido. Al sonicar un líquido, se producen dos mecanismos:
- El campo acústico genera ondas que se propagan por el líquido y provocan microturbulencias y movimiento interfacial. Así, la fase interfacial se vuelve inestable, de modo que la fase dispersa (interna) acaba fragmentándose y formando gotas 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 cavidades en el medio debido a los ciclos de presión de la onda ultrasónica. Las microburbujas / cavidades crecen a lo largo de varios ciclos de onda hasta que colapsan violentamente. Esta implosión de las burbujas provoca condiciones locales extremas, como un cizallamiento muy elevado, chorros de líquido y velocidades extremas de calentamiento y enfriamiento. (Suslick 1999).
Estas fuerzas extremas fragmentan 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 sobre los efectos de la cavitación ultrasónica en la emulsificación!
Nanoemulsiones farmacéuticas
Las miniemulsiones lipídicas –producidas mediante ultrasonidos– se utilizan ampliamente como vehículos de agentes farmacológicos en formulaciones farmacéuticas. Por ejemplo, las miniemulsiones pueden actuar como vehículos de fármacos para administración parenteral o como sistemas de administración de fármacos a tejidos diana. Además de la elevada biodisponibilidad de los compuestos activos encapsulados, las ventajas de las miniemulsiones radican en su alta biocompatibilidad, biodegradabilidad, estabilidad y facilidad de producción a gran escala. Gracias a sus propiedades estructurales, pueden incorporar tanto moléculas hidrófobas como anfipáticas. Se han incorporado tocoferoles, vitaminas, curcurmin y muchas otras sustancias farmacológicas a nanoemulsiones preparadas mediante ultrasonidos.
Los sistemas ultrasónicos de Hielscher son emulsionadores fiables para preparar nanoemulsiones cargadas con fármacos. Para la emulsificación ultrasónica, Hielscher ofrece diversos accesorios que permiten optimizar el proceso de emulsificación. Hielschers MultiPhaseCavitator es un accesorio único para celdas de flujo ultrasónicas, en las que la segunda fase se inyecta en forma de una corriente muy estrecha directamente en la zona de máxima actividad ultrasónica de emulsificación.
Ultrasonicador UP400ST para la formulación de nanosuspensiones farmacéuticas con mayor biodisponibilidad.
Nanoemulsiones de grado alimentario
Las nanoemulsiones ofrecen diversas ventajas para la formulación de productos alimentarios. Presentan una buena estabilidad frente a la separación gravitacional, la floculación y la coalescencia, y permiten la liberación y/o absorción controladas 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 resulta importante para la administración de nutrientes y sustancias activas. Asimismo, presentan buenas propiedades de formulación, ya que son transparentes o visualmente translúcidas y sus gotas de tamaño submicrométrico / nanométrico proporcionan una sensación suave y cremosa en boca. Por ello, la producción de nanoemulsiones estables es una tarea habitual en toda la industria alimentaria, por ejemplo, para formular productos enriquecidos con vitaminas o ácidos grasos (p. ej., vitamina C, vitamina E, omega-3, omega-6, omega-9 derivados de semillas vegetales o aceite de pescado) o para producir productos aromatizados (p. ej., con aceites esenciales).
Distribución de gotas de tamaño nanométrico de una nanoemulsión dispersada mediante ultrasonidos (emulsión de aceite de lavanda en agua). La emulsión se preparó con la sonda ultrasónica UP400St.
Nanoemulsiones cosméticas
En particular, las nanoemulsiones de agua en aceite (W/O) ofrecen diversas ventajas para encapsular sustancias bioactivas hidrófilas en gotas de tamaño nanométrico (en emulsiones simples o dobles).
¡Haga clic aquí para leer más sobre la formulación de emulsiones cosméticas sin tensioactivos mediante 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.
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Estabilización de emulsiones
Aunque algunas nanoemulsiones pueden mantenerse estables durante el almacenamiento sin utilizar tensioactivos ni emulsionantes gracias al tamaño nanométrico y la distribución de sus gotas, otras requieren agentes estabilizantes para obtener estabilidad a largo plazo y una calidad óptima del producto. La estabilización puede lograrse añadiendo tensioactivos 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 estabilizantes coloidales en emulsiones Pickering. ¡Haga clic aquí para saber más sobre las emulsiones Pickering generadas mediante ultrasonidos!
La emulsificación ultrasónica puede aplicarse a todos los tipos de emulsiones. La necesidad de un agente estabilizante para una emulsión concreta puede comprobarse fácilmente a pequeña escala.
Tenga en cuenta que la cantidad de tensioactivo necesaria aumenta a medida que disminuye el tamaño de gota, ya que la relación entre superficie y volumen (S/V) de las esferas viene dada por: S/V = 3/R. Por ejemplo, cuanto menor es el diámetro de una partícula o gota, mayor es su superficie en relación con su volumen.
Equipos de emulsificación ultrasónica
La producción de emulsiones submicrométricas y nanoemulsiones estables requiere equipos ultrasónicos potentes. Los equipos de emulsificación ultrasónica de Hielscher proporcionan amplitudes muy elevadas (hasta 200 µm en los ultrasonicadores industriales; amplitudes superiores disponibles bajo pedido) para generar un campo acústico intenso.
Sin embargo, para producir nanoemulsiones estables, los equipos de ultrasonidos de potencia por sí solos no suelen ser suficientes. Además de una potencia ultrasónica suficiente, se necesitan un control preciso de los parámetros del proceso y accesorios avanzados (como sonotrodos, reactores con celda de flujo y 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 tamaños de gota muy estrecha, Hielscher ha desarrollado un inserto único para celdas de flujo –el MultiPhaseCavitator–. Con este accesorio especial para celdas de flujo, la segunda fase de la emulsión se inyecta de forma continua en la zona de cavitación a través de 48 pequeñas cánulas. Esta tecnología permite producir de forma fiable y eficaz gotas nanométricas muy pequeñas y emulsiones altamente estables.
Hielscher Ultrasonics está especializada en el suministro de sistemas ultrasónicos y accesorios de calidad superior para obtener resultados de procesamiento óptimos. Nuestra amplia experiencia en el procesamiento ultrasónico y nuestra estrecha colaboración con los clientes garantizan la incorporación satisfactoria de los ultrasonidos a las líneas de producción.
Para las pruebas iniciales, el desarrollo y la optimización de procesos, ofrecemos un laboratorio de procesos y un centro técnico completamente equipados.
Además, ofrecemos asesoramiento exhaustivo, desarrollo de sistemas ultrasónicos personalizados y un servicio técnico integral para la instalación, la formación y el mantenimiento.
| Volumen por lote | Caudal | Equipos 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 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Información de interés
Emulsiones, tamaño de gota y tensioactivos
Las emulsiones se definen como dos líquidos inmiscibles: uno de los líquidos –la denominada fase dispersa o interna– se dispersa en forma de gotas 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, el sistema es una emulsión de aceite en agua, mientras que, cuando la fase acuosa se dispersa en la fase oleosa, se trata de una emulsión de agua en aceite. Según su tamaño de partícula y su estabilidad termodinámica, las emulsiones se clasifican en macroemulsiones, microemulsiones y nanoemulsiones.
Nanoemulsiones
Las nanoemulsiones son dispersiones nanoparticuladas constituidas por gotas de tamaño nanométrico. Las elevadas fuerzas de cizallamiento de los ultrasonidos de potencia rompen las gotas y reducen su diámetro a escala submicrométrica y nanométrica. En general, un menor tamaño de gota conduce a una mayor estabilidad de la emulsión. Las nanoemulsiones pueden clasificarse como O/W (aceite en agua), W/O (agua en aceite) o emulsiones múltiples/dobles, como W/O/W y O/W/O. Las nanoemulsiones son transparentes o incluso translúcidas (en el espectro visible), según su consistencia y el tamaño de gota. Generalmente, las nanoemulsiones se definen por un tamaño de gota comprendido entre 20 y 200 nm. A medida que disminuye el tamaño de gota, se reduce la propensión de la emulsión a la coalescencia (disminución de la maduración de Ostwald).
Los nanomateriales y las nanoemulsiones se caracterizan por propiedades físicas que difieren de las de las microemulsiones. Las partículas de tamaño nanométrico presentan propiedades completamente diferentes o sus propiedades típicas se manifiestan de forma muy extrema. El aspecto visible de las nanoemulsiones difiere del 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 ello, las nanoemulsiones presentan muy poca dispersión de la luz y parecen transparentes u ópticamente translúcidas.
El tamaño de gota 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/tensioactivo, 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, los alimentos y bebidas, la cosmética, los productos farmacéuticos y la ciencia y síntesis de materiales.
Tensioactivos
Los emulsionantes son un factor esencial para preparar una emulsión / nanoemulsión estable. Los emulsionantes son agentes tensioactivos que forman una capa protectora alrededor de la gota y reducen la tensión interfacial, evitando así la maduración de Ostwald, la coalescencia y el cremado.
Tipos de tensioactivos:
- Tensioactivos de molécula pequeña: los emulsionantes no iónicos, como Tween y Span, presentan una baja toxicidad y un bajo potencial irritante cuando se administran por vía oral, parenteral y cutánea, por lo que se prefieren a los emulsionantes iónicos. Tween y Span son los estabilizantes preferidos para las formulaciones de emulsiones en las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética.
Tweens: Tween 20/60/80 se conocen como polisorbato 20/60/80 (monolaurato de sorbierita deshidratada PEG-20, monoestearato de sorbierita deshidratada PEG-20, monooleato de sorbitán polioxietilenado). Son tensioactivos / emulsionantes no iónicos derivados del sorbitol. Se disuelven fácilmente en agua, etanol, metanol o acetato de etilo, pero solo ligeramente en aceite mineral.
Spans: 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 mediante la deshidratación del sorbitol. - Fosfolípidos: lecitina de yema de huevo, soja o productos lácteos
- Proteínas anfifílicas: aislado de proteína de suero de leche, caseinato
- Polisacáridos anfifílicos: goma arábiga, almidones modificados
Bibliografía / 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 desde escala de laboratorio hasta escala industrial.