Production ultrasonique de nanoémulsions stables

• Nanoémulsions – également connues sous le nom de miniémulsions ou d'émulsions submicroniques – sont utilisés dans une large gamme d'applications dans les domaines de la chimie, des peintures, des revêtements, des cosmétiques, des produits pharmaceutiques et de l'alimentation.
• Les ultrasons sont connus pour être une technique très efficace et fiable pour la production de nanoémulsions stables à long terme.

Pourquoi les ultrasons pour la nanoémulsification ?

La nanoémulsification ultrasonique est une technique qui utilise des ondes ultrasoniques à basse fréquence et à haute puissance pour créer des émulsions stables et uniformes de gouttelettes minuscules, généralement de l'ordre de 10 à 200 nm. Cette technique présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes d'émulsification traditionnelles, ce qui la rend supérieure dans diverses applications. Voici quelques-uns de ces avantages :

• Taille uniforme des particules : La nanoémulsification ultrasonique produit des gouttelettes petites et uniformes, qui offrent une meilleure stabilité et biodisponibilité. Ces gouttelettes ont un rapport surface/volume élevé, ce qui les rend plus réactives et plus efficaces dans diverses applications.
• Grande stabilité : Les nanoémulsions ultrasoniques présentent une grande stabilité cinétique en raison de leur petite taille et de leur uniformité, ce qui les rend résistantes à la coalescence, à la floculation et à la sédimentation. Cette stabilité les rend idéales pour les applications alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques et chimiques.
• Réduction de la consommation d'énergie : La nanoémulsification ultrasonique nécessite moins d'énergie que les méthodes d'émulsification traditionnelles telles que l'homogénéisation ou la microfluidisation, ce qui la rend plus efficace sur le plan énergétique et plus rentable.
• Polyvalence : La nanoémulsification ultrasonique peut être utilisée pour émulsifier une large gamme de matériaux, y compris des lipides, des composés hydrophiles et des substances insolubles dans l'eau. Il s'agit donc d'une technique polyvalente qui peut être utilisée dans diverses applications.
  Temps de traitement rapide : La nanoémulsification par ultrasons est un processus rapide qui peut être réalisé en quelques minutes, ce qui le rend adapté à la production à grande échelle.

Globalement, la nanoémulsification ultrasonique présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes d'émulsification traditionnelles, ce qui en fait une technique supérieure pour diverses applications.
 

Formation de nanoémulsions par ultrasons

L'émulsification par ultrasons est provoquée par le couplage des ondes des ultrasons de puissance avec un système liquide. En sonifiant un liquide, deux mécanismes se produisent :

1. Le champ acoustique génère des ondes qui se déplacent dans le liquide et provoquent des microturbulences et un mouvement interfacial. La phase limite devient alors instable, de sorte que la phase dispersée (interne) finit par se rompre et former des gouttelettes dans la phase continue (externe).
2. L'application d'ultrasons à basse fréquence et à haute puissance génère de la cavitation. (Kentish et al. 2008). Par cavitation ultrasonique, des microbulles ou des vides se forment dans le milieu en raison des cycles de pression de l'onde ultrasonique. Les microbulles/vides se développent sur plusieurs cycles d'ondes jusqu'à ce qu'ils s'effondrent violemment. Cette implosion des bulles provoque localement des conditions extrêmes telles qu'un cisaillement très élevé, des jets de liquide et des taux de chauffage et de refroidissement extrêmes. (Suslick 1999).

Ces forces extrêmes réduisent les gouttelettes primaires de la phase dispersée (interne) en gouttelettes de taille nanométrique et les mélangent de manière homogène à la phase continue (externe).
En savoir plus sur les effets de la cavitation ultrasonique sur l'émulsification !

Nanoémulsions pharmaceutiques

Mini-mulsions lipidiques – produites par les ultrasons – sont largement utilisées comme vecteurs d'agents pharmacologiques dans les formulations pharmaceutiques. Par exemple, les miniémulsions peuvent servir de vecteur de médicaments par voie parentérale ou de dispositif d'administration de médicaments aux tissus cibles. Outre la biodisponibilité élevée des composés actifs encapsulés, les avantages des miniémulsions résident dans leur biocompatibilité, leur biodégradabilité, leur stabilité et leur facilité de production à grande échelle. Grâce à leurs propriétés structurelles, elles peuvent incorporer des molécules hydrophobes ou amphipathiques. Des nanoémulsions préparées par ultrasons ont été chargées de tocophérols, de vitamines, de curcurmine et de nombreuses autres substances pharmacologiques.
Les systèmes à ultrasons de Hielscher sont des émulsifiants fiables pour la préparation de nanoémulsions médicamenteuses. Pour l’émulsification par ultrasons, Hielscher propose divers accessoires afin d’optimiser le processus d’émulsification. Hielschers MultiPhaseCavitator est un add-on unique pour les cellules à flux ultrasonore, où la deuxième phase est injectée sous forme de flux très étroit directement dans la zone de point chaud ultrasonore de l’émulsification.

Nanoémulsions de qualité alimentaire

Les nanoémulsions offrent de nombreux avantages pour la formulation des produits alimentaires. Les nanoémulsions présentent une bonne stabilité à la séparation gravitationnelle, à la floculation et à la coalescence, et permettent une libération et/ou une absorption contrôlée des ingrédients fonctionnels grâce à la petite taille des gouttelettes et à leur grande surface. En outre, elles offrent une biodisponibilité élevée des composés actifs, ce qui est important pour l'apport de nutriments et de substances actives. En outre, elles offrent de bonnes propriétés de formulation car elles sont transparentes ou visuellement translucides et leurs gouttelettes de taille submicronique/nanométrique donnent une sensation lisse et crémeuse en bouche. La production de nano-émulsions stables est donc une tâche omniprésente pour l'industrie alimentaire, par exemple pour formuler des produits enrichis en vitamines ou en acides gras (vitamine C, vitamine E, oméga-3, oméga-6, oméga-9 dérivés de graines végétales ou d'huile de poisson) ou pour produire des produits aromatisés (avec des huiles essentielles, par exemple).

Distribution de gouttelettes nanométriques dans une nanoémulsion dispersée par ultrasons (émulsion lavande huile dans eau). L'émulsion a été préparée avec la sonde ultrasonique UP400St.

Nanoémulsions cosmétiques

Les nanoémulsions eau-dans-huile (E/H), en particulier, offrent divers avantages pour l'encapsulation de substances hydrophiles bioactives dans des gouttelettes de taille nanométrique (dans des émulsions simples ou doubles).
Cliquez ici pour en savoir plus sur la formulation d'émulsions cosmétiques sans tensioactifs à l'aide d'ultrasons !

Polymérisation en mini-mulsion

La polymérisation en mini-mulsion assistée par ultrasons est appliquée à divers procédés – de l'encapsulation de particules inorganiques à la synthèse de particules de latex. L'application des ultrasons de puissance à des réactions chimiques telles que la polymérisation, la synthèse, etc. est connue sous le nom de sonochimie.
Cliquez ici pour en savoir plus sur sonochimie, synthèse de latex par ultrasons et précipitation ultrasonique!

stabilisation des émulsions

Bien que certaines nanoémulsions puissent être stables sans l'utilisation de surfactants ou d'émulsifiants en raison de la taille et de la distribution des gouttelettes à l'échelle nanométrique, d'autres nanoémulsions nécessitent l'utilisation d'agents stabilisants pour obtenir une stabilité à long terme et une qualité de produit optimale. La stabilisation peut être réalisée par l'ajout de tensioactifs (tensides) ou de particules solides qui agissent comme des stabilisateurs. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont connues sous le nom d'émulsions de Pickering. Le lactose, l'albumine, la lécithine, le chitosane, la cyclodextrine, la maltodextrine, l'amidon, etc. peuvent être utilisés comme stabilisateurs colloïdaux dans les émulsions de Pickering. Cliquez ici pour en savoir plus sur les émulsions de Pickering générées par ultrasons !
L'émulsification par ultrasons peut être réalisée pour tous les types d'émulsions. Si un agent stabilisant est nécessaire pour une émulsion spécifique, il peut être facilement testé à petite échelle.
Veuillez noter que la quantité d'agent de surface nécessaire augmente avec la diminution de la taille des gouttelettes, car le rapport surface/volume (S/V) pour les sphères est donné par la formule suivante : S/V = 3/R. Par exemple, plus le diamètre d'une particule ou d'une gouttelette est petit, plus sa surface est grande par rapport à son volume.

Équipement d'émulsification par ultrasons

La production d'émulsions submicroniques et nanométriques stables nécessite un équipement ultrasonique puissant. Les équipements d'émulsification ultrasonique Hielscher délivrent des amplitudes très élevées (jusqu'à 200µm pour les ultrasons industriels, amplitudes plus élevées sur demande) pour générer un champ acoustique intense.
Cependant, pour la production de nanoémulsions stables, les équipements à ultrasons ne suffisent souvent pas. Outre une puissance ultrasonique suffisante, un contrôle précis des paramètres du processus et des accessoires sophistiqués (tels que les sonotrodes, les réacteurs à cellule d'écoulement, le refroidissement) sont nécessaires pour obtenir des gouttelettes de taille nanométrique et une dispersion homogène de la phase aqueuse et de la phase huileuse l'une dans l'autre.
Hielscher MultiPhaseCavitator : Afin de produire des émulsions de qualité supérieure avec une distribution de gouttelettes très étroite, Hielscher a développé un insert de cellule d'écoulement unique. – le MultiPhaseCavitator. Grâce à cette cellule d'écoulement spéciale, la seconde phase de l'émulsion est injectée en continu par 48 petites canules dans la zone de cavitation. Cette technologie permet la production fiable et efficace de très petites gouttelettes de taille nanométrique et d'émulsions très stables.

Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la fourniture de systèmes à ultrasons et d'accessoires de qualité supérieure pour des résultats de traitement optimaux. Notre longue expérience dans le traitement par ultrasons et notre étroite collaboration avec nos clients garantissent la réussite de l'intégration des ultrasons dans les lignes de production.
Pour les essais initiaux, le développement et l'optimisation des processus, nous disposons d'un laboratoire et d'un centre technique entièrement équipés..
En outre, nous offrons des conseils approfondis, le développement de systèmes ultrasoniques personnalisés et un service technique approfondi pour l'installation, la formation et la maintenance.