تولید نانوامولسیون‌های پایدار با فراصوت
- نانوامولسیون‌ها – که مینی‌امولسیون یا امولسیون زیرمیکرونی نیز نامیده می‌شوند – در طیف گسترده‌ای از کاربردهای شیمی، رنگ، پوشش، محصولات آرایشی، دارویی و غذایی استفاده می‌شوند.
- استفاده از سونیکاتورها به‌عنوان روشی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد برای تولید نانوامولسیون‌های دارای پایداری بلندمدت شناخته می‌شود.
چرا فراصوت برای نانوامولسیون‌سازی؟
نانوامولسیون‌سازی فراصوتی روشی است که از امواج فراصوت کم‌فرکانس و پرتوان برای ایجاد امولسیون‌های پایدار و یکنواخت از قطرات بسیار ریز، معمولاً در محدودهٔ 10–200 nm، استفاده می‌کند. این روش نسبت به روش‌های سنتی امولسیون‌سازی مزایای متعددی دارد که آن را در کاربردهای گوناگون برتر می‌سازند. برخی از این مزایا عبارت‌اند از:
- اندازهٔ یکنواخت ذرات: نانوامولسیون‌سازی فراصوتی قطرات کوچک و یکنواختی تولید می‌کند که پایداری و فراهمی زیستی بهتری دارند. این قطرات نسبت سطح به حجم بالایی دارند و به همین دلیل در کاربردهای گوناگون واکنش‌پذیرتر و مؤثرتر هستند.
- پایداری بالا: نانوامولسیون‌های فراصوتی به‌دلیل اندازهٔ کوچک و یکنواختی خود، پایداری جنبشی بالایی دارند که آن‌ها را در برابر هم‌جوشی قطرات، لخته‌شدن و ته‌نشینی مقاوم می‌سازد. این پایداری، آن‌ها را برای کاربردهای غذایی، دارویی، آرایشی و شیمیایی ایدئال می‌کند.
- کاهش مصرف انرژی: نانوامولسیون‌سازی فراصوتی نسبت به روش‌های سنتی امولسیون‌سازی مانند همگن‌سازی یا میکروفلوئیدیزاسیون به انرژی ورودی کمتری نیاز دارد؛ در نتیجه از نظر مصرف انرژی کارآمدتر و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
- تنوع کاربرد: از نانوامولسیون‌سازی فراصوتی می‌توان برای امولسیون‌سازی طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله لیپیدها، ترکیبات آب‌دوست و مواد نامحلول در آب استفاده کرد. به همین دلیل، این روش چندمنظوره در کاربردهای گوناگون قابل‌استفاده است.
زمان کوتاه پردازش: نانوامولسیون‌سازی فراصوتی فرایندی سریع است که می‌تواند ظرف چند دقیقه تکمیل شود و ازاین‌رو برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب است.
در مجموع، نانوامولسیون‌سازی فراصوتی نسبت به روش‌های سنتی امولسیون‌سازی مزایای متعددی دارد که آن را به روشی برتر برای کاربردهای گوناگون تبدیل می‌کنند.
تهیهٔ فراصوتی یک نانوامولسیون شفاف با استفاده از سونیکاتور UP400ST.
تشکیل نانوامولسیون‌ها با فراصوت
امولسیون‌سازی فراصوتی از طریق کوپل‌کردن امواج فراصوت پرتوان به یک سامانهٔ مایع انجام می‌شود. با فراصوت‌دهی یک مایع، دو سازوکار رخ می‌دهد:
- میدان صوتی امواجی تولید می‌کند که در مایع پیش می‌روند و موجب ریزآشفتگی‌ها و حرکت در سطح مشترک می‌شوند. در نتیجه، ناحیهٔ مرزی ناپایدار می‌شود، به‌گونه‌ای که فاز پراکنده (داخلی) در نهایت گسیخته می‌شود و قطراتی را در فاز پیوسته (خارجی) تشکیل می‌دهد.
- استفاده از فراصوت کم‌فرکانس و پرتوان موجب ایجاد کاویتاسیون می‌شود (Kentish et al. 2008). در کاویتاسیون فراصوتی، چرخه‌های فشار موج فراصوت موجب تشکیل ریزحباب‌ها یا حفره‌هایی در محیط می‌شوند. این ریزحباب‌ها / حفره‌ها طی چندین چرخهٔ موج رشد می‌کنند تا سرانجام به‌شدت فروبپاشند. این فروپاشی حباب به درون، شرایط موضعی بسیار شدیدی مانند برش بسیار زیاد، جت‌های مایع و نرخ‌های بسیار بالای گرم‌شدن و سردشدن ایجاد می‌کند. (Suslick 1999).
این نیروهای شدید، قطرات اولیهٔ فاز پراکنده (داخلی) را به قطراتی با اندازهٔ نانومتری خرد می‌کنند و آن‌ها را به‌طور همگن در فاز پیوسته (خارجی) مخلوط می‌کنند.
دربارهٔ اثرات کاویتاسیون فراصوتی بر امولسیون‌سازی، اینجا بیشتر بخوانید!
نانوامولسیون‌های دارویی
مینی‌امولسیون‌های لیپیدی – تولیدشده با فراصوت – به‌طور گسترده به‌عنوان حامل مواد دارویی در فرمولاسیون‌های دارویی استفاده می‌شوند. برای نمونه، مینی‌امولسیون‌ها می‌توانند نقش حامل داروی تزریقی یا سامانهٔ دارورسانی به بافت‌های هدف را ایفا کنند. افزون بر فراهمی زیستی بالای ترکیبات فعال کپسوله‌شده، مزایای مینی‌امولسیون‌ها شامل زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری و پایداری بالا و سهولت تولید در مقیاس بزرگ است. آن‌ها به‌دلیل ویژگی‌های ساختاری خود می‌توانند هم مولکول‌های آب‌گریز و هم مولکول‌های آمفی‌پاتیک را در خود جای دهند. نانوامولسیون‌های تهیه‌شده با فراصوت با توکوفرول‌ها، ویتامین‌ها، کورکومین و بسیاری از مواد دارویی دیگر بارگذاری شده‌اند.
سامانه‌های فراصوتی Hielscher امولسیون‌سازهایی قابل‌اعتماد برای تهیهٔ نانوامولسیون‌های بارگذاری‌شده با دارو هستند. Hielscher برای بهینه‌سازی فرایند امولسیون‌سازی فراصوتی، تجهیزات جانبی متنوعی ارائه می‌دهد. Hielschers MultiPhaseCavitator یک افزونهٔ منحصربه‌فرد برای سلول‌های جریان فراصوتی است که در آن، فاز دوم به‌شکل جریانی بسیار باریک، مستقیماً به ناحیهٔ نقطهٔ داغ فراصوتیِ امولسیون‌سازی تزریق می‌شود.
سونیکاتور UP400ST برای فرمولاسیون نانوسوسپانسیون‌های دارویی با فراهمی زیستی افزایش‌یافته.
نانوامولسیون‌های گرید غذایی
نانوامولسیون‌ها مزایای گوناگونی برای فرمولاسیون محصولات غذایی دارند. نانوامولسیون‌ها در برابر جدایش گرانشی، لخته‌شدن و هم‌جوشی قطرات پایداری خوبی نشان می‌دهند و به‌دلیل اندازهٔ کوچک قطرات و سطح زیاد خود، رهایش و/یا جذب کنترل‌شدهٔ اجزای فراسودمند را فراهم می‌کنند. همچنین، فراهمی زیستی بالایی برای ترکیبات فعال فراهم می‌کنند که برای رساندن مواد مغذی و مواد فعال اهمیت دارد. افزون بر این، ویژگی‌های مناسبی برای فرمولاسیون دارند، زیرا شفاف یا از نظر ظاهری نیمه‌شفاف هستند و قطرات زیرمیکرونی / نانومتری آن‌ها حس دهانی نرم و خامه‌ای ایجاد می‌کنند. ازاین‌رو، تولید نانوامولسیون‌های پایدار فعالیتی فراگیر در صنایع غذایی است؛ برای مثال، برای فرمولاسیون محصولات غنی‌شده با ویتامین یا اسید چرب (مانند ویتامین C، ویتامین E، امگا-3، امگا-6 و امگا-9 حاصل از دانه‌های گیاهی یا روغن ماهی) یا تولید محصولات طعم‌دار (برای مثال با اسانس‌های روغنی).
توزیع قطرات نانومتری یک نانوامولسیون پراکنده‌شده با فراصوت (امولسیون روغن اسطوخودوس در آب). این امولسیون با استفاده از پروب فراصوتی UP400St تهیه شد.
نانوامولسیون‌های آرایشی
به‌ویژه نانوامولسیون‌های آب در روغن (W/O)، مزایای گوناگونی برای کپسوله‌سازی مادهٔ زیست‌فعال آب‌دوست در قطرات نانومقیاس (در امولسیون‌های ساده یا دوگانه) دارند.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ فرمولاسیون بدون سورفکتانتِ امولسیون‌های آرایشی با فراصوت، اینجا کلیک کنید!
پلیمریزاسیون مینی‌امولسیونی
پلیمریزاسیون مینی‌امولسیونی به کمک فراصوت در فرایندهای گوناگونی به کار می‌رود – از کپسوله‌سازی ذرات معدنی تا سنتز ذرات لاتکس. کاربرد فراصوت پرتوان در واکنش‌های شیمیایی مانند پلیمریزاسیون، سنتز و غیره، سونوشیمی نامیده می‌شود.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ سونوشیمی, سنتز فراصوتی لاتکس و رسوب‌دهی فراصوتی اینجا کلیک کنید!
پایدارسازی امولسیون
اگرچه برخی نانوامولسیون‌ها به‌دلیل اندازه و توزیع نانومقیاس قطرات می‌توانند بدون استفاده از هیچ سورفکتانت یا امولسیون‌سازی در طول نگهداری پایدار بمانند، سایر نانوامولسیون‌ها برای دستیابی به پایداری بلندمدت و کیفیت بهینهٔ محصول به عوامل پایدارکننده نیاز دارند. پایدارسازی را می‌توان با افزودن سورفکتانت‌ها (تنسیدها) یا ذرات جامدی انجام داد که نقش پایدارکننده دارند. امولسیون‌هایی که با ذرات جامد پایدار می‌شوند، امولسیون‌های پیکرینگ نام دارند. لاکتوز، آلبومین، لسیتین، کیتوسان، سیکلودکسترین، مالتودکسترین، نشاسته و غیره را می‌توان به‌عنوان پایدارکننده‌های کلوئیدی در امولسیون‌های پیکرینگ به کار برد. برای آشنایی بیشتر با امولسیون‌های پیکرینگ تولیدشده با فراصوت، اینجا کلیک کنید!
امولسیون‌سازی فراصوتی برای همهٔ انواع امولسیون‌ها قابل‌انجام است. نیاز یک امولسیون مشخص به عامل پایدارکننده را می‌توان به‌راحتی در مقیاس کوچک آزمایش کرد.
توجه داشته باشید که با کاهش اندازهٔ قطرات، مقدار سورفکتانت موردنیاز افزایش می‌یابد، زیرا نسبت سطح به حجم (S/V) برای کره‌ها از رابطهٔ S/V = 3/R به دست می‌آید. برای مثال، هرچه قطر یک ذره یا قطره کوچک‌تر باشد، سطح آن نسبت به حجمش بیشتر است.
تجهیزات امولسیون‌سازی فراصوتی
تولید امولسیون‌های زیرمیکرونی و نانوامولسیون‌های پایدار به تجهیزات فراصوتی پرتوان نیاز دارد. تجهیزات امولسیون‌سازی فراصوتی Hielscher برای ایجاد میدان صوتی شدید، دامنه‌های بسیار بالا ارائه می‌دهند (تا 200µm برای سونیکاتورهای صنعتی؛ دامنه‌های بالاتر بنا به درخواست).
بااین‌حال، برای تولید نانوامولسیون‌های پایدار، تجهیزات فراصوت پرتوان به‌تنهایی اغلب کافی نیستند. افزون بر توان فراصوتی کافی، کنترل دقیق پارامترهای فرایند و تجهیزات جانبی پیشرفته (مانند سونوتْرودها، راکتورهای سلول جریان و تجهیزات سرمایش) برای دستیابی به قطرات نانومتری و پراکنش همگن فاز آبی و فاز روغنی در یکدیگر ضروری هستند.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Hielscher برای تولید امولسیون‌های برتر با توزیع اندازهٔ قطرات بسیار باریک، یک قطعهٔ داخلی منحصربه‌فرد برای سلول جریان توسعه داده است – MultiPhaseCavitator. با این افزونهٔ ویژهٔ سلول جریان، فاز دوم امولسیون به‌طور پیوسته از طریق 48 کانولای کوچک به ناحیهٔ کاویتاسیون تزریق می‌شود. این فناوری تولید قابل‌اعتماد و مؤثر قطرات بسیار کوچک نانومتری و امولسیون‌های بسیار پایدار را امکان‌پذیر می‌کند.
Hielscher Ultrasonics در تأمین سامانه‌ها و تجهیزات جانبی فراصوتی برتر برای دستیابی به نتایج بهینهٔ پردازش تخصص دارد. تجربهٔ طولانی ما در پردازش فراصوتی و همکاری نزدیک با مشتریان، به‌کارگیری موفق فراصوت در خطوط تولید را تضمین می‌کند.
برای آزمایش‌های اولیه، توسعهٔ فرایند و بهینه‌سازی فرایند، آزمایشگاه فرایند و مرکز فنی کاملاً مجهزی ارائه می‌دهیم.
همچنین، مشاورهٔ جامع، توسعهٔ سامانه‌های فراصوتی سفارشی و خدمات فنی تخصصی برای نصب، آموزش و نگهداری ارائه می‌دهیم.
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
دانستنی‌های مفید
امولسیون‌ها، اندازهٔ قطرات و سورفکتانت‌ها
امولسیون‌ها به‌صورت دو مایع امتزاج‌ناپذیر تعریف می‌شوند: یکی از مایعات – موسوم به فاز پراکنده یا داخلی – به‌شکل قطرات کروی در مایع دیگر، موسوم به فاز پیوسته یا خارجی، پراکنده می‌شود. رایج‌ترین مایعات مورد استفاده برای تشکیل امولسیون، روغن و آب هستند. هنگامی که فاز روغنی در آب/فاز آبی پراکنده شود، سامانه یک امولسیون روغن در آب است؛ درحالی‌که اگر آب/فاز آبی در فاز روغنی پراکنده شود، امولسیون آب در روغن تشکیل می‌شود. امولسیون‌ها بر اساس اندازهٔ ذرات و پایداری ترمودینامیکی خود به ماکروامولسیون، میکروامولسیون و نانوامولسیون دسته‌بندی می‌شوند.
نانوامولسیون‌ها
نانوامولسیون‌ها پراکنه‌های نانوذره‌ای هستند که از قطرات نانومتری تشکیل می‌شوند. نیروهای برشی بالای فراصوت پرتوان، قطرات را می‌شکنند و قطر آن‌ها را به محدودهٔ زیرمیکرونی و نانومتری کاهش می‌دهند. به‌طور کلی، اندازهٔ کوچک‌تر قطرات موجب پایداری بیشتر امولسیون می‌شود. نانوامولسیون‌ها را می‌توان به انواع O/W (روغن در آب)، W/O (آب در روغن) یا امولسیون‌های چندگانه/دوگانه مانند W/O/W و O/W/O تقسیم کرد. نانوامولسیون‌ها بسته به قوام و اندازهٔ قطرات، شفاف یا حتی نیمه‌شفاف هستند (در طیف مرئی). نانوامولسیون‌ها عموماً با اندازهٔ قطرات بین 20 و 200nm تعریف می‌شوند. با کاهش اندازهٔ قطرات، تمایل امولسیون به هم‌جوشی قطرات کاهش می‌یابد (کاهش رسیدگی استوالد).
نانومواد و نانوامولسیون‌ها با ویژگی‌های فیزیکی‌ای مشخص می‌شوند که با میکروامولسیون‌ها تفاوت دارند. ذرات نانومتری یا ویژگی‌هایی کاملاً متفاوت نشان می‌دهند، یا ویژگی‌های معمول آن‌ها به‌شکلی بسیار شدید بروز می‌کند. ظاهر نانوامولسیون‌ها با امولسیون‌های دارای قطرات میکرومتری متفاوت است، زیرا قطرات آن‌قدر کوچک هستند که نمی‌توانند با طول‌موج‌های نوری طیف مرئی تداخل کنند. بنابراین نانوامولسیون‌ها پراکندگی نور بسیار کمی دارند و شفاف یا از نظر نوری نیمه‌شفاف به نظر می‌رسند.
اندازهٔ قطرات امولسیون تحت تأثیر ترکیب فاز روغنی، ویژگی‌های سطح مشترک و گرانروی هر دو فاز پیوسته و پراکنده، نوع امولسیون‌ساز/سورفکتانت، نرخ برش هنگام امولسیون‌سازی و همچنین حلالیت فاز روغنی در آب قرار دارد.
نانوامولسیون‌ها به‌طور گسترده در کاربردهای گوناگون مانند دارورسانی، مواد غذایی و نوشیدنی‌ها، محصولات آرایشی، داروسازی و علم و سنتز مواد استفاده می‌شوند.
سورفکتانت‌ها
امولسیون‌سازها عاملی اساسی در تهیهٔ یک امولسیون / نانوامولسیون پایدار هستند. امولسیون‌سازها مواد فعال سطحی هستند که لایه‌ای محافظ پیرامون قطره تشکیل می‌دهند و کشش بین‌سطحی را کاهش می‌دهند؛ در نتیجه از رسیدگی استوالد، هم‌جوشی قطرات و خامه‌ای‌شدن جلوگیری می‌کنند.
انواع سورفکتانت‌ها:
- سورفکتانت‌های با مولکول کوچک: امولسیون‌سازهای غیریونی مانند Tween و Span هنگام مصرف خوراکی، تزریقی و پوستی، سمیت و تحریک‌زایی کمی نشان می‌دهند و به همین دلیل بر امولسیون‌سازهای یونی ترجیح داده می‌شوند. Tween و Span پایدارکننده‌های ترجیحی برای فرمولاسیون‌های امولسیونی در صنایع غذایی، دارویی و آرایشی هستند.
انواع Tween: Tween 20/60/80 با نام پلی‌سوربات 20/60/80 شناخته می‌شوند (مونولورات سوربیریت آب‌زدایی‌شدهٔ PEG-20، مونو‌استئارات سوربیریت آب‌زدایی‌شدهٔ PEG-20، پلی‌اکسی‌اتیلن سوربیتان مونو‌اولئات). آن‌ها سورفکتانت‌ها / امولسیون‌سازهای غیریونی مشتق‌شده از سوربیتول هستند. این مواد به‌راحتی در آب، اتانول، متانول یا اتیل استات حل می‌شوند، اما حلالیت آن‌ها در روغن معدنی کم است.
انواع Span: Span20/40/60/80 استرهای اسید چرب سوربیتان / استرهای سوربیتان هستند که سورفکتانت‌هایی غیریونی با خواص امولسیون‌کنندگی، پراکنده‌کنندگی و ترکنندگی محسوب می‌شوند. سورفکتانت‌های Span از آب‌زدایی سوربیتول تولید می‌شوند. - فسفولیپیدها: لسیتین زردهٔ تخم‌مرغ، سویا یا لبنیات
- پروتئین‌های آمفی‌فیلیک: ایزولهٔ پروتئین آب‌پنیر، کازئینات
- پلی‌ساکاریدهای آمفی‌فیلیک: صمغ عربی، نشاسته‌های اصلاح‌شده
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.