Stabiilsete nanoemulsioonide ultraheli tootmine
- Nanoemulsioonid – tuntud ka kui miniemulsioonid või submikronite emulsioonid – kasutatakse paljudes rakendustes keemias, värvides, katetes, kosmeetikas, farmaatsiatoodetes ja toidus.
- Ultrasonikaatorid on tuntud kui väga tõhus ja usaldusväärne tehnika pikaajaliste stabiilsete nanoemulsioonide tootmiseks.
Miks ultraheli nanoemulgeerimiseks
Ultraheli nanoemulgeerimine on tehnika, mis kasutab madala sagedusega, suure võimsusega ultraheli laineid, et luua väikeste tilkade stabiilseid ja ühtseid emulsioone, tavaliselt vahemikus 10-200 nm. Sellel meetodil on traditsiooniliste emulgeerimismeetoditega võrreldes mitmeid eeliseid, mis muudavad selle erinevates rakendustes paremaks. Mõned neist eelistest on:
- Ühtlane osakeste suurus: Ultraheli nanoemulgeerimine toodab väikesi ja ühtlaseid tilka, mis pakuvad paremat stabiilsust ja biosaadavust. Nendel tilkadel on suur pindala ja mahu suhe, mis muudab need reaktiivsemaks ja efektiivsemaks erinevates rakendustes.
- Kõrge stabiilsus: Ultraheli nanoemulsioonidel on nende väikese suuruse ja ühtluse tõttu kõrge kineetiline stabiilsus, mis muudab need vastupidavaks koalestsentsile, flokulatsioonile ja settimisele. See stabiilsus muudab need ideaalseks kasutamiseks toidus, farmaatsiatoodetes, kosmeetilistes ja keemilistes rakendustes.
- Väiksem energiatarbimine: Ultraheli nanoemulgeerimine nõuab madalamat energiasisendit kui traditsioonilised emulgeerimismeetodid, nagu homogeniseerimine või mikrofluidiseerimine, muutes selle energiatõhusamaks ja kulutõhusamaks.
- Mitmekülgsus: Ultraheli nanoemulgeerimist saab kasutada paljude materjalide, sealhulgas lipiidide, hüdrofiilsete ühendite ja vees lahustumatute ainete emulgeerimiseks. See muudab selle mitmekülgseks tehnikaks, mida saab kasutada erinevates rakendustes.
Kiire töötlemisaeg: Ultraheli nanoemulgeerimine on kiire protsess, mida saab lõpule viia minutitega, muutes selle sobivaks suuremahuliseks tootmiseks.
Üldiselt pakub ultraheli nanoemulgeerimine mitmeid eeliseid traditsiooniliste emulgeerimismeetoditega võrreldes, muutes selle suurepäraseks tehnikaks erinevate rakenduste jaoks.
Nanoemulsioonide ultraheli moodustumine
Ultraheli emulgeerimine on tingitud võimsuse ultraheli lainete ühendamisest vedelasse süsteemi. Vedeliku ultraheliga töötlemisel tekivad kaks mehhanismi:
- Akustiline väli tekitab laineid, mis liiguvad läbi vedeliku ja põhjustavad mikroturbulentsi ja liidese liikumist. Seega muutub piirfaas ebastabiilseks, nii et hajutatud (sisemine) faas lõpuks puruneb ja moodustab pidevas (välises) faasis tilgad.
- Madala sagedusega, suure võimsusega ultraheli rakendamine tekitab kavitatsiooni (Kentish et al. 2008). Ultraheli kavitatsiooni abil moodustuvad söötmes ultraheli laine survetsüklite tõttu mikromullid või tühimikud. Mikromullid / tühimikud kasvavad mitme lainetsükli jooksul, kuni nad vägivaldselt kokku varisevad. See mullide implosioon põhjustab lokaalselt äärmuslikke tingimusi, nagu väga suur nihe, vedelikujoad ning äärmuslikud kütte- ja jahutuskiirused. (Suslick 1999).
Need äärmuslikud jõud purustavad hajutatud (sisemise) faasi esmased tilgad nanosuuruses tilkadeks ja segavad need homogeenselt pidevasse (välisesse) faasi.
Loe siit rohkem ultraheli kavitatsiooni mõju kohta emulgeerimisele!
Farmatseutilised nanoemulsioonid
Lipiidide miniemulsioonid – toodetud ultraheli poolt – neid kasutatakse laialdaselt farmakoloogiliste ainete kandjana farmatseutilistes preparaatides. Näiteks võivad miniemulsioonid toimida parenteraalse ravimikandjana või ravimi manustamisvahendina kudede sihtimiseks. Lisaks kapseldatud aktiivsete ühendite kõrgele biosaadavusele on miniemulsioonide eelised nende kõrge bioühilduvus, biolagunevus, stabiilsus ja suuremahulise tootmise lihtsus. Oma struktuuriliste omaduste tõttu võivad nad sisaldada nii hüdrofoobseid kui ka amfipaatseid molekule. Ultraheli valmistatud nanoemulsioonid on koormatud tokoferoolide, vitamiinide, kurkumiini ja paljude teiste farmakoloogiliste ainetega.
Hielscheri ultraheli süsteemid on usaldusväärsed emulgaatorid ravimite nanoemulsioonide valmistamiseks. Ultraheli emulgeerimiseks pakub Hielscher erinevaid tarvikuid emulgeerimisprotsessi optimeerimiseks. Hielschers MultiPhaseCavitator on ainulaadne lisandmoodul ultraheli voolurakkudele, kus teine faas süstitakse väga kitsa vooluna otse emulgeerimise ultraheli kuuma koha tsooni.
Toidukvaliteediga nanoemulsioonid
Nanoemulsioonid pakuvad toiduainete valmistamiseks erinevaid eeliseid. Nanoemulsioonid näitavad head stabiilsust gravitatsioonilisele eraldamisele, flokulatsioonile, koalestsentsile ja pakuvad funktsionaalsete koostisosade kontrollitud vabanemist ja / või imendumist nende väikese tilga suuruse ja suure pindala tõttu. Lisaks pakuvad nad toimeainete kõrget biosaadavust, mis on oluline toitainete ja toimeainete kohaletoimetamiseks. Lisaks, need pakuvad häid koostise omadusi, kuna need on läbipaistvad või visuaalselt poolläbipaistvad ning nende submikroni- / nanosuuruses tilgad põhjustavad siledat ja kreemjat suutunnet. Seega on stabiilsete nanoemulsioonide tootmine toiduainetööstuse jaoks kõikehõlmav ülesanne, näiteks vitamiinide või rasvhapetega rikastatud toodete (nt C-vitamiin, E-vitamiin omega-3, omega-6, omega-9, mis on saadud taimeseemnetest või kalaõlist) või maitsestatud toodete (nt eeterlike õlidega) valmistamiseks.
Kosmeetilised nanoemulsioonid
Eriti vesi-õlis (W / O) nanoemulsioonid pakuvad mitmesuguseid eeliseid bioaktiivse hüdrofiilse aine kapseldamiseks nanoskaala tilkadesse (ühe- või kahekordsetes emulsioonides).
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheliga kosmeetiliste emulsioonide pindaktiivsete ainete vaba koostise kohta!
miniemulsiooni polümerisatsioon
Ultraheli abil miniemulsiooni polümerisatsiooni rakendatakse erinevatele protsessidele – anorgaaniliste osakeste kapseldamisest lateksosakeste sünteesini. Võimsuse ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele, nagu polümerisatsioon, süntees jne, on tuntud kui sonochemistry.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem Sonochemistry, lateksi ultraheli süntees ja ultraheli sademed!
Emulsiooni stabiliseerimine
Kuigi mõned nanoemulsioonid võivad nano-skaalaga tilkade suuruse ja jaotuse tõttu olla stabiilsed ilma pindaktiivseid aineid või emulgaatoreid kasutamata, vajavad teised nanoemulsioonid stabiliseerivate ainete kasutamist, et saavutada pikaajaline stabiilsus ja optimaalne toote kvaliteet. Stabiliseerimiseks võib lisada kas pindaktiivseid aineid (tensiide) või tahkeid osakesi, mis toimivad stabilisaatoritena. Emulsioonid, mis on stabiliseeritud tahkete osakestega, on tuntud kui Pickering emulsioonid. Laktoosi, albumiini, letsitiini, kitosaani, tsüklodekstriini, maltodekstriini, tärklist jne võib kasutada kolloidsete stabilisaatoritena Pickering emulsioonides. Klõpsake siin, et saada lisateavet ultraheli genereeritud Pickering emulsioonide kohta!
Ultraheli emulgeerimist saab läbi viia igat tüüpi emulsioonide puhul. Kui konkreetse emulsiooni jaoks on vaja stabiliseerivat ainet, saab seda kergesti testida väikeses mahus.
Pange tähele, et vajaliku pindaktiivse aine kogus suureneb tilga suuruse vähenemisega, kuna kerade pindala ja mahu suhe (S/V) on antud valemiga: S/V = 3/R. Näiteks, mida väiksem on osakese või tilga läbimõõt, seda suurem on selle pindala selle mahu suhtes.
Ultraheli emulgeerimisseadmed
Stabiilsete submikroni- ja nanoemulsioonide tootmine nõuab võimsaid ultraheli seadmeid. Hielscheri ultraheli emulgeerimisseadmed pakuvad väga kõrgeid amplituudid (kuni 200 μm tööstuslike ultrasonikaatorite puhul, soovi korral suuremad amplituudid), et tekitada intensiivne akustiline väli.
Kuid stabiilsete nanoemulsioonide tootmiseks ei piisa sageli ainult võimsuse ultraheliseadmetest. Lisaks piisavale ultraheli võimsusele on nanosuuruste tilkade saamiseks ja nii vesi- kui ka õlifaasi homogeenseks hajutamiseks vaja protsessi parameetrite täpset juhtimist ja keerukaid tarvikuid (nagu sonotroodid, vooluraku reaktorid, jahutamine).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Selleks, et toota suurepäraseid emulsioone, millel on väga kitsas tilkade jaotus, on Hielscher välja töötanud ainulaadse vooluraku sisestuse – MultiPhaseCavitator. Selle spetsiaalse vooluraku lisandmooduliga süstitakse emulsiooni teist faasi pidevalt 48 väikese kanüüli kaudu kavitatsioonitsooni. See tehnoloogia võimaldab usaldusväärset ja tõhusat tootmist väga väikeste nanosuuruses tilkade ja väga stabiilsete emulsioonidega.
Hielscher Ultrasonics on spetsialiseerunud paremate ultraheli süsteemide ja tarvikute tarnimisele optimaalsete töötlemistulemuste saavutamiseks. Meie pikaajaline kogemus ultraheli töötlemisel ja meie tihe koostöö meie klientidega tagab ultraheli eduka rakendamise tootmisliinidesse.
Esialgseteks testideks, protsesside arendamiseks ja optimeerimiseks pakume täielikult varustatud protsessilaborit ja tehnilist keskust.
Lisaks pakume põhjalikku nõustamist, kohandatud ultraheli süsteemide arendamist ja põhjalikku tehnilist teenust paigaldamiseks, koolitamiseks ja hoolduseks.
Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
---|---|---|
0.5 kuni 1,5 ml | mujal liigitamata | VialTweeter | 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Faktid, mida tasub teada
Emulsioonid, tilkade suurus ja pindaktiivsed ained
Emulsioonid on määratletud kui kaks segunematut vedelikku: Üks vedelikest – nn hajutatud või sisemine faas – dispergeerub sfääriliste tilkadena teises vedelikus, mida nimetatakse pidevaks või väliseks faasiks. Kõige silmapaistvamad vedelikud, mida kasutatakse emulsiooni moodustamiseks, on õli ja vesi. Kui õlifaas on vees/vesifaasis hajutatud, on süsteem õli-vees emulsioon, samas kui vesi/vesifaas on õlifaasis hajutatud, on see vesi-õlis emulsioon. Emulsioonid eristatakse vastavalt nende osakeste suurusele ja termodünaamilisele stabiilsusele vastavalt makroemulsioonide, mikroemulsioonide ja nanoemulsioonidena.
Nanoemulsioonid
Nanoemulsioonid on nanoosakeste dispersioonid, mis koosnevad nano suurusega tilkadest. Võimsuse ultraheli suured nihkejõud purustavad tilgad nii, et need vähenevad submikroni ja nano läbimõõduni. Üldiselt põhjustavad väiksemad tilkade suurused emulsiooni suuremat stabiilsust. Nanoemulsioone saab eristada kui O / W (õli-vees), W / O (vesi-õlis) või mitme / kahekordse emulsioonina, nagu W / O / W ja O / W / O. Nanoemulsioon on läbipaistev või isegi poolläbipaistev (nähtavas spektris), sõltuvalt konsistentsist ja tilkade suurusest. Nanoemulsioonid on tavaliselt määratletud tilga suurusega vahemikus 20 kuni 200nm. Kahaneva tilga suurusega väheneb emulsiooni kalduvus koalestsentsile (väheneb Ostwaldi valmimine).
Nanomaterjale ja nanoemulsioone iseloomustavad füüsikalised omadused, mis erinevad mikroemulsioonidest. Nanosuuruses osakestel on kas täiesti erinevad omadused või nende tüüpilised omadused väljenduvad väga äärmuslikul kujul. Nanoemulsioonide nähtaval välimusel on erinev välimus kui mikronisuurustel emulsioonidel, kuna tilgad on liiga väikesed, et häirida nähtava spektri optilisi lainepikkusi. Seetõttu on nanoemulsioonidel väga vähe valguse hajumist ja need on läbipaistvad või optiliselt poolläbipaistvad.
Emulsiooni piiskade suurust mõjutavad õlifaasi koostis, mõlema liidese omadused ja viskoossus, pidevad ja dispergeeritud faasid, tüüpi emulgaator / pindaktiivne aine, nihkekiirus emulgeerimise ajal, samuti õlifaasi lahustuvus vees.
Nanoemulsioone kasutatakse laialdaselt mitmesugustes rakendustes, nagu ravimite kohaletoimetamine, toit & joogid, kosmeetika, farmaatsiatooted ja materjaliteadus & Sünteesi.
Pindaktiivsed ained
Emulgaatorid on oluline tegur stabiilse emulsiooni / nanoemulsiooni valmistamiseks. Emulgaatorid on pindaktiivsed ained, mis moodustavad piiskade ümber kaitsekihi ja vähendavad liidese pinget, takistades seeläbi Ostwaldi küpsemist, koalestsentsi ja kreemitamist.
Pindaktiivsete ainete tüübid:
- Väikeste molekulidega pindaktiivsed ained: Mitteioonsed emulgaatorid, nagu Tween ja Span, näitavad suukaudsel, parenteraalselt ja nahakaudselt manustamisel madalat toksilisust ja ärritust ning seetõttu eelistatakse neid ioonsetele emulgaatoritele. Tween ja Span on eelistatud stabilisaatorid emulsioonipreparaatide jaoks toidu-, farmaatsia- ja kosmeetilises tööstuses.
Tweens: Tween 20/60/80 on tuntud kui polüsorbaat 20/60/80 (PEG-20 dehüdreeritud sorbieriitmonolauraat, PEG-20 dehüdreeritud sorbieriitmonostearaat, polüoksüetüleensorbitaanmonooleaat). Need on sorbitoolist saadud mitteioonsed pindaktiivsed ained / emulgaatorid. Nad lahustuvad kergesti vees, etanoolis, metanoolis või etüülatsetaadis, kuid ainult veidi mineraalõlis.
Kestab: Span20/40/60/80 on sorbitaanrasvhapete estrid / sorbitaanestrid, mis on emulgeerivate, dispergeerivate ja niisutavate omadustega mitteioonsed pindaktiivsed ained. Span-pindaktiivseid aineid toodetakse sorbitooli dehüdratsioonil. - Fosfolipiidid: munakollane, soja või piimaletsitiin
- Amfifiilsed valgud: vadakuvalgu isolaat, kaseinaat
- Amfifiilsed polüsahhariidid: kummiaraabik, modifitseeritud tärklised
Kirjandus / Viited
- 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.