Stabiilsete nanoemulsioonide ultraheli abil valmistamine

• Nanoemulsioone – tuntakse ka kui miniemulsioone või submikronemulsioone – kasutatakse paljudes keemia-, värvide, katete, kosmeetika, farmaatsia- ja toiduainetööstuse rakendustes.
• Ultraheli seadmed (sonikaatorid) on tuntud kui väga tõhus ja usaldusväärne meetod pikaajaliselt stabiilsete nanoemulsioonide valmistamiseks.

Miks kasutada nanoemulgeerimiseks ultraheli

Ultraheli nanoemulgeerimine on meetod, mis kasutab madala sagedusega ja suure võimsusega ultraheli laineid, et luua väikestest tilkadest koosnevaid stabiilseid ja ühtlaseid emulsioone, mille tilgasuurus jääb tavaliselt vahemikku 10-200 nm. Sellel meetodil on mitu eelist traditsiooniliste emulgeerimismeetodite ees, mis muudavad selle erinevates rakendustes paremaks. Mõned neist eelistest on:

• Ühtlane osakeste suurus: Ultraheli nanoemulgeerimine annab väikesed ja ühtlased tilgad, mis tagavad parema stabiilsuse ja biosaadavuse. Nendel tilkadel on suur pindala ja ruumala suhe, mistõttu on need reaktsioonivõimelisemad ja tõhusamad erinevates rakendustes.
• Kõrge stabiilsus: Ultraheli nanoemulsioonidel on väikese suuruse ja ühtluse tõttu kõrge kineetiline stabiilsus, mistõttu need on vastupidavad koalestsentsile, flokulatsioonile ja settimisele. See stabiilsus muudab need ideaalseks kasutamiseks toidu-, farmaatsia-, kosmeetika- ja keemiarakendustes.
• Väiksem energiatarve: Ultraheli nanoemulgeerimine vajab väiksemat energiasisendit kui traditsioonilised emulgeerimismeetodid, näiteks homogeniseerimine või mikrofluidiseerimine, mistõttu on see energiatõhusam ja kuluefektiivsem.
• Mitmekülgsus: Ultraheli nanoemulgeerimist saab kasutada paljude erinevate materjalide emulgeerimiseks, sealhulgas lipiidide, hüdrofiilsete ühendite ja vees lahustumatute ainete puhul. See teeb sellest mitmekülgse meetodi, mida saab kasutada erinevates rakendustes.
  Kiire töötlusaeg: Ultraheli nanoemulgeerimine on kiire protsess, mille saab lõpule viia minutitega, mistõttu sobib see suuremahuliseks tootmiseks.

Üldiselt pakub ultraheli nanoemulgeerimine mitmeid eeliseid traditsiooniliste emulgeerimismeetodite ees, muutes selle erinevates rakendustes paremaks meetodiks.

Nanoemulsioonide ultraheli abil moodustamine

Ultraheli emulgeerimine tekib võimsusultraheli lainete sidumisel vedelsüsteemi. Vedeliku sonikeerimisel (ultraheli töötlusel) toimub kaks mehhanismi:

1. Akustiline väli tekitab laineid, mis levivad läbi vedeliku ning põhjustavad mikroturbulentse ja faasidevahelise pinna liikumise. Seetõttu muutub piirfaas ebastabiilseks, nii et dispergeeritud (sisemine) faas lõpuks puruneb ja moodustab tilgad pidevas (välimises) faasis.
2. Madala sagedusega ja suure võimsusega ultraheli rakendamine tekitab kavitatsiooni (Kentish et al. 2008). Ultraheli kavitatsiooni käigus tekivad ultraheli laine rõhutsüklite tõttu keskkonnas mikromullid ehk tühimikud. Mikromullid / tühimikud kasvavad mitme lainetsükli jooksul, kuni need vägivaldselt kokku varisevad. See mullide implosioon tekitab lokaalselt äärmuslikud tingimused, näiteks väga suure nihke, vedelikujoad ning äärmiselt kiire kuumenemise ja jahtumise. (Suslick 1999).

Need äärmuslikud jõud purustavad dispergeeritud (sisemise) faasi primaarsed tilgad nanomõõtmeliseks tilkadeks ja segavad need homogeenselt pidevasse (välimisse) faasi.
Loe siit lähemalt ultraheli kavitatsiooni mõjust emulgeerimisele!

Farmatseutilised nanoemulsioonid

Lipiidsed miniemulsioonid – mida toodetakse ultrahelitöötlusega – on farmatseutilistes koostistes laialdaselt kasutusel farmakoloogiliste toimeainete kandjatena. Näiteks võivad miniemulsioonid toimida parenteraalse ravimikandjana või ravimite kohaletoimetamise vahendina sihtkudedesse. Lisaks kapseldatud aktiivühendite kõrgele biosaadavusele seisnevad miniemulsioonide eelised nende kõrges biosobivuses, biolagunduvuses, stabiilsuses ja lihtsas suuremahulises tootmises. Struktuuriomaduste tõttu suudavad nad siduda nii hüdrofoobseid kui ka amfipaatseid molekule. Ultrahelitöötlusega valmistatud nanoemulsioone on laetud tokoferoolide, vitamiinide, kurkumiini ja paljude teiste farmakoloogiliste ainetega.
Hielscheri ultraheli süsteemid on töökindlad emulgaatorid ravimitega laetud nanoemulsioonide valmistamiseks. Ultraheliemulgeerimiseks pakub Hielscher mitmesuguseid lisatarvikuid emulgeerimisprotsessi optimeerimiseks. Hielscheri MultiPhaseCavitator on ainulaadne lisaseade ultraheli läbivoolukambritele, kus teine faas juhitakse väga kitsa joana otse emulgeerimise ultraheli kuumpunkti tsooni.

Toidukvaliteediga nanoemulsioonid

Nanoemulsioonid pakuvad mitmesuguseid eeliseid toodete koostamisel toiduainetööstuses. Nanoemulsioonid on stabiilsed gravitatsioonilise lahutumise, flokulatsiooni ja koalestsentsi suhtes ning võimaldavad väikese tilgasuuruse ja suure pindala tõttu funktsionaalsete koostisosade kontrollitud vabanemist ja/või imendumist. Lisaks pakuvad nad aktiivühendite kõrget biosaadavust, mis on oluline toitainete ja toimeainete kohaletoimetamisel. Veelgi enam, neil on head koostamisomadused, kuna nad on läbipaistvad või visuaalselt poolläbipaistvad ning nende submikronilised / nanosuurusega tilgad tekitavad sileda ja kreemja suutunnetuse. Seetõttu on stabiilsete nanoemulsioonide tootmine toiduainetööstuses kõikjal esinev ülesanne, nt vitamiini- või rasvhapetega rikastatud toodete koostamiseks (nt C-vitamiin, E-vitamiin, taimeseemnetest või kalaõlist pärinevad oomega-3, oomega-6, oomega-9) või maitsestatud toodete valmistamiseks (nt eeterlike õlidega).

Ultrahelidispergeeritud nanoemulsiooni (lavendliõli-vees emulsiooni) nanosuuruses tilgajaotus. Emulsioon valmistati ultraheli sondiga UP400St.

Kosmeetilised nanoemulsioonid

Eelkõige vesi-õlis (W/O) nanoemulsioonid pakuvad mitmesuguseid eeliseid bioaktiivsete hüdrofiilsete ainete kapseldamisel nanomõõtmelistesse tilkadesse (üksik- või kaksikemulsioonides).
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt kosmeetiliste emulsioonide pindaktiivsete ainete vaba koostamise kohta ultraheli abil!

Miniemulsioonpolümerisatsioon

Ultraheli abil toetatud miniemulsioonpolümerisatsiooni kasutatakse mitmesugustes protsessides – anorgaaniliste osakeste kapseldamisest lateksiosakeste sünteesini. Võimsa ultraheli rakendamist keemilistele reaktsioonidele, näiteks polümerisatsioonile, sünteesile jne, nimetatakse sonokeemiaks.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt teemadel sonokeemia, lateksi ultrahelisüntees ja ultraheli sadestamine!

Emulsiooni stabiliseerimine

Kuigi mõned nanoemulsioonid võivad olla säilivusajal stabiilsed ilma pindaktiivsete ainete või emulgaatorite kasutamiseta tänu nanomõõtmelisele tilgasuurusele ja -jaotusele, vajavad teised nanoemulsioonid pikaajalise stabiilsuse ja optimaalse tootekvaliteedi saavutamiseks stabiliseerivaid aineid. Stabiliseerimist saab saavutada, lisades kas pindaktiivseid aineid (tensiide) või tahkeid osakesi, mis toimivad stabilisaatoritena. Tahkete osakestega stabiliseeritud emulsioone tuntakse Pickeringi emulsioonidena. Pickeringi emulsioonides võib kolloidsete stabilisaatoritena kasutada laktoosi, albumiini, letsitiini, kitosaani, tsüklodekstriini, maltodekstriini, tärklist jne. Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli abil valmistatud Pickeringi emulsioonide kohta!
Ultraheliemulgeerimist saab teostada igat tüüpi emulsioonide puhul. Kas konkreetse emulsiooni jaoks on vaja stabilisaatorit, saab hõlpsasti kontrollida väikeses mastaabis.
Pange tähele, et vajaliku pindaktiivse aine kogus suureneb tilga suuruse vähenemisega, kuna sfääride pindala ja ruumala suhe (S/V) avaldub valemiga: S/V = 3/R. Näiteks mida väiksem on osakese või tilga läbimõõt, seda suurem on selle pindala võrreldes ruumalaga.

Ultraheliemulgeerimise seadmed

Stabiilsete submikromeetriliste ja nanoemulsioonide tootmine nõuab võimsaid ultraheliseadmeid. Hielscheri ultraheliemulgeerimisseadmed tagavad väga suured amplituudid (kuni 200µm tööstuslike sonikaatorite puhul, suuremad amplituudid soovi korral), et tekitada intensiivne akustiline väli.
Stabiilsete nanoemulsioonide tootmiseks ei piisa aga sageli ainult võimsatest ultraheliseadmetest. Lisaks piisavale ultraheli võimsusele on nanomõõtmeliste tilkade ja nii vesifaasi kui ka õlifaasi homogeense üksteisesse dispergeerumise saavutamiseks vajalik protsessiparameetrite täpne kontroll ning keerukad lisaseadmed (nt sonotroodid, läbivoolukambriga reaktorid, jahutus).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Selleks et toota kvaliteetseid emulsioone väga kitsa tilgajaotusega, on Hielscher välja töötanud ainulaadse läbivoolukambri sisendi – MultiPhaseCavitatori. Selle spetsiaalse läbivoolukambri lisaseadmega juhitakse emulsiooni teine faas pidevalt 48 väikese kanüüli kaudu kavitatsioonitsooni. See tehnoloogia võimaldab töökindlalt ja tõhusalt toota väga väikseid nanomõõtmelisi tilku ja väga stabiilseid emulsioone.

Hielscher Ultrasonics on spetsialiseerunud esmaklassiliste ultrahelisüsteemide ja lisaseadmete tarnimisele optimaalsete töötlustulemuste saavutamiseks. Meie pikaajaline kogemus ultraheli töötluses ja tihe koostöö klientidega tagavad ultraheli eduka rakendamise tootmisliinides.
Esmaste katsete, protsessi arendamise ja protsessi optimeerimise jaoks pakume täielikult varustatud protsessilaborit ja tehnikakeskust.
Lisaks pakume põhjalikku nõustamist, kohandatud ultrahelisüsteemide arendamist ning põhjalikku tehnilist teenindust paigalduse, koolituse ja hoolduse valdkonnas.