Vakaiden nanoemulsioiden valmistus ultraäänellä

• Nanoemulsioita – joita kutsutaan myös miniemulsioiksi tai submikronisiksi emulsioiksi – käytetään monissa kemian, maalien, pinnoitteiden, kosmetiikan, lääkkeiden ja elintarvikkeiden sovelluksissa.
• Ultraäänilaitteet tunnetaan erittäin tehokkaana ja luotettavana menetelmänä pitkään vakaiden nanoemulsioiden valmistukseen.

Miksi käyttää ultraääntä nanoemulgointiin

Ultraäänellä tehtävä nanoemulgointi on menetelmä, jossa matalataajuisilla, suuritehoisilla ultraääniaalloilla muodostetaan vakaita ja tasalaatuisia emulsioita pienistä pisaroista, joiden koko on tyypillisesti 10–200 nm. Tällä menetelmällä on perinteisiin emulgointimenetelmiin verrattuna useita etuja, jotka tekevät siitä ylivoimaisen monissa sovelluksissa. Näitä etuja ovat muun muassa:

• Tasainen hiukkaskoko: Ultraäänellä tehtävä nanoemulgointi tuottaa pieniä ja tasakokoisia pisaroita, jotka parantavat vakautta ja biologista hyötyosuutta. Näiden pisaroiden pinta-alan suhde tilavuuteen on suuri, mikä tekee niistä reaktiivisempia ja tehokkaampia monissa sovelluksissa.
• Suuri vakaus: Ultraäänellä valmistettujen nanoemulsioiden kineettinen vakaus on suuri niiden pienen koon ja tasalaatuisuuden ansiosta, mikä tekee niistä koalesenssia, flokkulaatiota ja sedimentaatiota vastustavia. Tämä vakaus tekee niistä ihanteellisia elintarvike-, lääke-, kosmetiikka- ja kemian sovelluksiin.
• Pienempi energiankulutus: Ultraäänellä tehtävä nanoemulgointi vaatii vähemmän energiaa kuin perinteiset emulgointimenetelmät, kuten homogenointi tai mikrofluidisointi, mikä tekee siitä energiatehokkaamman ja kustannustehokkaamman.
• Monipuolisuus: Ultraäänellä tehtävällä nanoemulgoinnilla voidaan emulgoida monenlaisia materiaaleja, kuten lipidejä, hydrofiilisiä yhdisteitä ja veteen liukenemattomia aineita. Tämä tekee siitä monipuolisen menetelmän, jota voidaan käyttää monissa sovelluksissa.
  Lyhyt käsittelyaika: Ultraäänellä tehtävä nanoemulgointi on nopea prosessi, joka voidaan toteuttaa minuuteissa, joten se soveltuu suuren mittakaavan tuotantoon.

Kaiken kaikkiaan ultraäänellä tehtävä nanoemulgointi tarjoaa useita etuja perinteisiin emulgointimenetelmiin verrattuna, mikä tekee siitä ylivoimaisen menetelmän moniin sovelluksiin.
 

Nanoemulsioiden muodostuminen ultraäänellä

Ultraääniemulgointi perustuu tehoultraääniaaltojen kytkemiseen nestejärjestelmään. Nesteen ultraäänikäsittelyssä vaikuttaa kaksi mekanismia:

1. Akustinen kenttä tuottaa aaltoja, jotka kulkevat nesteen läpi ja aiheuttavat mikroturbulenssia sekä rajapinnan liikettä. Tämän seurauksena rajapintafaasi muuttuu epävakaaksi, jolloin dispergoitunut (sisäinen) faasi lopulta hajoaa ja muodostaa pisaroita jatkuvaan (ulkoiseen) faasiin.
2. Matalataajuisen, suuritehoisen ultraäänen käyttö synnyttää kavitaatiota (Kentish et al. 2008). Ultraäänikavitaatiossa väliaineeseen muodostuu mikrokuplia tai onteloita ultraääniaallon painejaksojen seurauksena. Mikrokuplat / ontelot kasvavat useiden aaltojaksojen ajan, kunnes ne luhistuvat rajusti. Tämä kuplien luhistuminen aiheuttaa paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, kuten erittäin voimakasta leikkausta, nestesuihkuja sekä äärimmäisen suuria lämpenemis- ja jäähtymisnopeuksia. (Suslick 1999).

Nämä äärimmäiset voimat hajottavat dispergoituneen (sisäisen) faasin alkuperäiset pisarat nanokokoisiksi pisaroiksi ja sekoittavat ne tasaisesti jatkuvaan (ulkoiseen) faasiin.
Lue tästä lisää ultraäänikavitaation vaikutuksista emulgointiin!

Farmaseuttiset nanoemulsiot

Ultraäänellä valmistettuja lipidiminiemulsioita käytetään laajasti farmakologisten aineiden kantajina lääkevalmisteissa. Miniemulsiot voivat esimerkiksi toimia parenteraalisina lääkkeenkantajina tai lääkkeiden kuljetusjärjestelminä kohdekudoksiin. Kapseloitujen vaikuttavien yhdisteiden suuren biologisen hyötyosuuden lisäksi miniemulsioiden etuja ovat hyvä bioyhteensopivuus, biohajoavuus, vakaus ja helppo valmistus suuressa mittakaavassa. Rakenteellisten ominaisuuksiensa ansiosta ne voivat sisältää sekä hydrofobisia että amfipaattisia molekyylejä. Ultraäänellä valmistettuihin nanoemulsioihin on sisällytetty tokoferoleja, vitamiineja, kurkumiinia ja monia muita farmakologisia aineita.
Hielscherin ultraäänijärjestelmät ovat luotettavia emulgointilaitteita lääkkeitä sisältävien nanoemulsioiden valmistukseen. Hielscher tarjoaa ultraääniemulgointiin erilaisia lisävarusteita emulgointiprosessin optimointia varten. Hielscherin MultiPhaseCavitator on ainutlaatuinen lisäosa ultraäänivirtauskennoihin, jossa toinen faasi ruiskutetaan erittäin kapeana virtana suoraan emulgoinnin voimakkaimman ultraäänivaikutuksen alueelle.

Elintarvikekelpoiset nanoemulsiot

Nanoemulsiot tarjoavat monia etuja elintarvikkeiden formulointiin. Nanoemulsiot kestävät hyvin painovoiman aiheuttamaa erottumista, flokkulaatiota ja koalesenssia sekä mahdollistavat funktionaalisten ainesosien hallitun vapautumisen ja/tai imeytymisen pienen pisarakokonsa ja suuren pinta-alansa ansiosta. Lisäksi ne tarjoavat vaikuttaville yhdisteille suuren biologisen hyötyosuuden, mikä on tärkeää ravintoaineiden ja vaikuttavien aineiden kuljetuksessa. Niillä on myös hyvät formulointiominaisuudet, sillä ne ovat läpinäkyviä tai silmin havaittavasti läpikuultavia, ja niiden submikroniset / nanokokoiset pisarat luovat sileän ja kermaisen suutuntuman. Vakaiden nanoemulsioiden valmistus onkin elintarviketeollisuudessa kaikkialla esiintyvä tehtävä, esimerkiksi vitamiineilla tai rasvahapoilla täydennettyjen tuotteiden formuloinnissa (esim. C-vitamiini, E-vitamiini, kasvien siemenistä tai kalaöljystä peräisin olevat omega-3, omega-6 ja omega-9) tai maustettujen tuotteiden valmistuksessa (esim. eteerisillä öljyillä).

Ultraäänellä dispergoidun nanoemulsion nanokokoisten pisaroiden kokojakauma (laventeliöljy-vedessä-emulsio). Emulsio valmistettiin ultraäänisondilla UP400St.

Kosmeettiset nanoemulsiot

Erityisesti vesi-öljyssä-nanoemulsiot (W/O) tarjoavat monia etuja bioaktiivisten hydrofiilisten aineiden kapselointiin nanokokoisiin pisaroihin (yksinkertaisissa tai kaksoisemulsioissa).
Lue tästä lisää kosmeettisten emulsioiden formuloinnista ultraäänellä ilman pinta-aktiivisia aineita!

Miniemulsiopolymerointi

Ultraääniavusteista miniemulsiopolymerointia käytetään monissa prosesseissa – epäorgaanisten hiukkasten kapseloinnista lateksihiukkasten synteesiin. Tehoultraäänen käyttöä kemiallisissa reaktioissa, kuten polymeroinnissa ja synteesissä, kutsutaan sonokemiaksi.
Lue tästä lisää aiheista sonokemia, lateksin ultraäänisynteesi ja ultraäänisaostus!

Emulsioiden stabilointi

Vaikka jotkin nanoemulsiot voivat säilyä vakaina varastoinnin aikana ilman pinta-aktiivisia aineita tai emulgointiaineita nanokokoisten pisaroidensa ja pisarakokojakaumansa ansiosta, toiset nanoemulsiot vaativat stabilointiaineita pitkäaikaisen vakauden ja optimaalisen tuotelaadun saavuttamiseksi. Stabilointi voidaan toteuttaa lisäämällä joko pinta-aktiivisia aineita (tensidejä) tai kiinteitä hiukkasia, jotka toimivat stabilointiaineina. Kiinteillä hiukkasilla stabiloituja emulsioita kutsutaan Pickering-emulsioiksi. Laktoosia, albumiinia, lesitiiniä, kitosaania, syklodekstriiniä, maltodekstriiniä, tärkkelystä jne. voidaan käyttää kolloidisina stabilointiaineina Pickering-emulsioissa. Lue tästä lisää ultraäänellä muodostetuista Pickering-emulsioista!
Ultraääniemulgointia voidaan käyttää kaikille emulsiotyypeille. Pienessä mittakaavassa voidaan helposti testata, tarvitaanko tiettyyn emulsioon stabilointiainetta.
Huomaa, että tarvittavan pinta-aktiivisen aineen määrä kasvaa pisarakoon pienentyessä, sillä pallojen pinta-alan ja tilavuuden suhde (S/V) määräytyy kaavalla: S/V = 3/R. Esimerkiksi mitä pienempi hiukkasen tai pisaran halkaisija on, sitä suurempi sen pinta-ala on suhteessa sen tilavuuteen.

Ultraääniemulgointilaitteet

Vakaiden submikronisten emulsioiden ja nanoemulsioiden valmistus vaatii tehokkaita ultraäänilaitteita. Hielscherin ultraääniemulgointilaitteet tuottavat erittäin suuria amplitudeja (teollisissa ultraäänilaitteissa jopa 200µm, suurempia amplitudeja pyynnöstä) voimakkaan akustisen kentän muodostamiseksi.
Vakaiden nanoemulsioiden valmistukseen pelkkä tehoultraäänilaite ei kuitenkaan usein riitä. Riittävän ultraäänitehon lisäksi tarvitaan prosessiparametrien tarkkaa hallintaa ja kehittyneitä lisävarusteita (kuten sonotrodit, virtauskennoreaktorit ja jäähdytys), jotta saadaan nanokokoisia pisaroita sekä vesi- ja öljyfaasi dispergoitumaan tasaisesti toisiinsa.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Hielscher on kehittänyt ainutlaatuisen virtauskennon sisäosan – MultiPhaseCavitatorin – ylivoimaisten emulsioiden valmistukseen erittäin kapealla pisarakokojakaumalla. Tällä erityisellä virtauskennon lisäosalla emulsion toinen faasi ruiskutetaan jatkuvasti 48 pienen kanyylin kautta kavitaatioalueelle. Tämä tekniikka mahdollistaa erittäin pienten nanokokoisten pisaroiden ja erittäin vakaiden emulsioiden luotettavan ja tehokkaan valmistuksen.

Hielscher Ultrasonics on erikoistunut toimittamaan ylivoimaisia ultraäänijärjestelmiä ja lisävarusteita optimaalisten käsittelytulosten saavuttamiseksi. Pitkä kokemuksemme ultraäänikäsittelystä ja tiivis yhteistyömme asiakkaidemme kanssa varmistavat ultraäänen onnistuneen käyttöönoton tuotantolinjoissa.
Tarjoamme alkutesteihin, prosessikehitykseen ja prosessin optimointiin täysin varustetun prosessilaboratorion ja teknisen keskuksen.
Lisäksi tarjoamme perusteellista konsultointia, räätälöityjen ultraäänijärjestelmien kehitystä sekä kattavaa teknistä palvelua asennukseen, koulutukseen ja huoltoon.