La production par ultrasons de nanoémulsions stables

  • nanoémulsions – également connu sous le mini-émulsions ou des emulsions 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.
 

Dans cette vidéo, nous fabriquons une nano-émulsion d'huile de chanvre riche en CBD dans de l'eau à l'aide d'un ultrasonateur Hielscher UP400St. Nous mesurons ensuite la nano-émulsion à l'aide d'un NANO-flex DLS. Les résultats des mesures montrent une distribution très étroite de la taille des particules, en volume et en poids, dans la plage de 9 à 40 nanomètres. 95 % de toutes les particules sont inférieures à 28 nanomètres.

Nanoémulsion de CBD - Produisez une nano-émulsion translucide à l'aide d'un homogénéisateur à ultrasons UP400St !

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Préparation ultrasonique d'une nano-émulsion de CBD à l'aide de la sonde ultrasonique UP400ST.

Préparation ultrasonique d'une nano-émulsion claire à l'aide de l'appareil à ultrasons UP400ST.

Formation à ultrasons de nanoémulsions

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

miniemulsions de Lipid – produite par ultrasons – sont largement utilisés comme support pour des agents pharmacologiques dans des formulations pharmaceutiques. Par exemple, les mini-émulsions peuvent agir comme support de médicament parenteral ou dispositif d'administration de médicament aux tissus cibles. Outre la biodisponibilité élevée des composés actifs encapsulés, les avantages des mini-émulsions résident dans leur haute biocompatibilité, leur biodégradabilité, leur stabilité et leur facilité de production à grande échelle. En raison de leurs propriétés structurelles, ils peuvent incorporer des molécules hydrophobes ainsi que des molécules amphipathiques. Des nanoémulsions préparées par ultrasons ont été chargées avec des tocophérols, des vitamines, de la curcurmine et de nombreuses autres substances pharmacologiques.
Les systèmes ultrasoniques de Hielscher sont des émulsifiants fiables pour la préparation de nanoémulsions codées pour les médicaments. Pour l'émulsification ultrasonique, Hielscher propose divers accessoires pour optimiser le processus d'émulsification. Le MultiPhaseCavitator de Hielscher est un complément unique pour les cellules d'écoulement ultrasoniques, où la seconde phase est injectée sous forme de flux très étroit directement dans la zone du point chaud ultrasonique de l'émulsification.

La préparation ultrasonique de nanosuspensions est une technique efficace pour la production de formulations pharmaceutiques avec une biodisponibilité accrue.

ultrasonateur UP400St pour la formulation de nanosuspensions pharmaceutiques à biodisponibilité accrue.

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Nano-émulsions ultrasoniques : Cette vidéo a démontré la production rapide d'une nano-émulsion d'huile dans l'eau. L'UP200Ht homogénéise l'huile et l'eau en quelques secondes.

Émulsification par ultrasons avec UP200Ht avec la sonde S26d14

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Qualité alimentaire nanoémulsions

Les nanoémulsions offrent divers avantages pour la formulation de produits alimentaires. Les nanoémulsions présentent une bonne stabilité à la séparation gravitationnelle, à la floculation, à la coalescence, et offrent une libération et / ou une absorption contrôlée des ingrédients fonctionnels en raison de leur petite taille de gouttelettes et de leur grande surface spécifique. De plus, ils offrent une biodisponibilité élevée des composés actifs, ce qui est important pour l'apport de nutriments et de substances actives. De plus, ils offrent de bonnes propriétés de formulation car ils sont transparents ou visuellement translucides et leurs gouttelettes submicroniques / nanométriques provoquent une sensation en bouche douce et crémeuse. Ainsi, la production de nano-émulsions stables est 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 huile de poisson) ou pour produire des produits aromatisés (par exemple avec des huiles essentielles).

Mesure de la distribution des gouttelettes d'une nano-émulsion dispersée par ultrasons.

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

Surtout eau-dans-huile (W / O) nanoémulsions offrent divers avantages pour l'encapsulation de la substance hydrophile biologiquement active dans des gouttelettes nanométriques (dans des émulsions simples ou doubles).
Cliquez ici pour en savoir plus sur la formulation sans tensioactif d'émulsions cosmétiques avec ultrasons!

miniémulsion polymérisation

polymérisation en miniémulsion assistée par ultrasons est appliquée à divers procédés – de l'encapsulation des 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., sont connus comme sonochemistry.
Cliquez ici pour en savoir plus sur sonochimie, synthèse par ultrasons de latex et précipitation à ultrasons!

stabilisation emulsion

Bien que certaines nano-émulsions puissent être stables au stockage sans l'utilisation d'agents tensioactifs 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 optimale du produit. La stabilisation peut être réalisée en ajoutant soit des surfactants (tensio-actifs), soit des particules solides qui agissent comme stabilisants. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont appelées émulsions de Pickering. Le lactose, l'albumine, la lécithine, le chitosane, la cyclodextrine, la maltodextrine, l'amidon, etc. peuvent être utilisés comme stabilisants colloïdaux dans les émulsions Pickering. Cliquez ici pour en savoir plus sur les émulsions de Pickering générées par ultrasons!
émulsification par ultrasons peut être effectuée pour tous les types d'émulsions. Si un agent de stabilisation est nécessaire pour une émulsion spécifique, peut être facilement testée à petite échelle.
S'il vous plaît noter que la quantité de tensioactif nécessaire augmente avec une diminution de la taille des gouttelettes puisque le rapport surface-à-area-volume (S / V) pour les sphères est donné par: S / V = ​​3 / R. Par exemple, plus le diamètre d'une particule ou gouttelette, la plus grande surface, il a par rapport à son volume.

Ultrasons émulsification Équipement

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, des équipements à ultrasons de puissance est souvent seul ne suffit pas. Outre suffisante puissance ultrasonique, un contrôle précis des paramètres de procédé, et des accessoires sophistiqués (tels que les sonotrodes, le débit des réacteurs cellulaires, refroidissement) sont nécessaires pour obtenir des gouttelettes de taille nanométrique et une dispersion homogène des deux, la phase aqueuse et d'huile dans l'autre.
Hielscher MultiPhaseCavitator : Afin de produire des émulsions de qualité supérieure avec une distribution de gouttelettes très étroite, Hielscher a mis au point 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 spécialisée dans la fourniture de systèmes à ultrasons supérieurs et accessoires de traitement des résultats optimaux. Notre expérience à long terme dans le traitement par ultrasons et notre étroite collaboration avec nos clients assure la mise en œuvre réussie de lignes en ultra-sons 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.

La vidéo montre l'émulsification très efficace de l'huile. Le processeur à ultrasons utilisé est un ultrasoniseur Hielscher UP400St, idéal pour préparer des lots de taille moyenne d'émulsions de haute qualité.

Fabriquer des nanoémulsions stables avec l'UP400St de Hielscher Ultrasonics (400 Watts)

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
00,5 à 1,5 ml n / a. VialTweeter
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
15 à 150L 3 à 15L/min UIP6000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Cette vidéo montre le processeur ultrasonique UP400S de Hielscher préparant une émulsion huile végétale dans l'eau de taille nanométrique.

Émulsification d'huile végétale dans l'eau à l'aide de l'UP400S

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Qu'il faut savoir

Émulsions, taille des gouttelettes et tensioactifs

Emulsions sont définis comme deux liquides non miscibles: L'un des liquides – la phase dispersée ou interne que l'on appelle – est dispersée sous forme de gouttelettes sphériques situées dans l'autre liquide, connu comme phase continue ou externe. Les liquides les plus importants utilisés pour former une émulsion huile et l'eau sont. Lorsque la phase huileuse est dispersée dans l'eau / phase aqueuse, le système est une émulsion huile-dans-eau, tandis que lorsque l'eau / phase aqueuse est dispersée dans la phase huileuse, il est une émulsion eau dans l'huile. Emulsions se distinguent respectivement leur granulométrie et de la stabilité thermodynamique des macro-émulsions, les microémulsions et des nanoémulsions, respectivement.

nanoémulsions

Les nanoémulsions sont des dispersions nanoparticulaires, constituées de gouttelettes de taille nanométrique. Les forces de cisaillement élevées de l'ultrason de puissance rompent les gouttelettes de sorte qu'elles sont réduites au submicron et au nanodiamètre. Généralement, de plus petites tailles de gouttelettes conduisent à une plus grande stabilité de l'émulsion. Les nanoémulsions peuvent être distinguées en H / E (huile dans l'eau), E / H (eau dans l'huile) ou en émulsions multiples / doubles telles que E / H / E et H / E / E. Les nanoémulsions sont transparentes ou même translucides (dans le spectre visible) en fonction de la consistance et de la taille des gouttelettes. Les nanoémulsions sont généralement définies par une taille de gouttelette comprise entre 20 et 200 nm. Avec une taille de gouttelettes descendante, la propension à la coalescence de l'émulsion diminue (diminuant le mûrissement d'Ostwald).
Les nanomatériaux et les nanoémulsions sont caractérisés par des propriétés physiques qui diffèrent des microémulsions. Les particules de taille nanométrique présentent soit des propriétés complètement différentes, soit leurs propriétés typiques sont exprimées sous une forme extrême. L'aspect visible des nanoémulsions a un aspect différent de celui des émulsions de taille micronique car les gouttelettes sont trop petites pour interférer avec les longueurs d'onde optiques du spectre visible. Par conséquent, les nanoémulsions présentent très peu de diffusion de la lumière et apparaissent transparentes ou optiquement translucides.
La taille des gouttelettes d'émulsion est influencée par la composition de la phase huileuse, les propriétés interfaciales et de la viscosité à la fois, les phases continue et dispersée, l'émulsifiant de type / agent tensio-actif, le taux de cisaillement au cours de l'émulsification, de même que la solubilité de la phase huileuse dans l'eau.
Nanoémulsions sont largement utilisés dans diverses applications telles que l'administration de médicaments, de la nourriture & boissons, cosmétiques, pharmaceutiques, et la science des matériaux & la synthèse.

Tensioactifs

Les émulsifiants sont un facteur essentiel pour préparer une émulsion stable / nanoémulsion. Les émulsifiants sont des agents tensio-actifs qui forment une couche protectrice de la gouttelette et réduisent la tension interfaciale, ce qui empêche la maturation Ostwald, coalescence et de crémage.
Types d'agents tensio-actifs:

  • Tensioactifs petite molécule: émulsifiant non ionique tel que le Tween et Span montrent une faible toxicité et l'irritation lorsqu'ils sont administrés par voie orale, par voie parentérale et par voie dermique et sont donc préférés aux émulsifiants ioniques. Tween et Span sont les stabilisants préférés pour les formulations en emulsion dans l'industrie alimentaire, pharmaceutique et de l'industrie cosmectic.
    préadolescents: Tween 20/60/80 sont connus comme polysorbate 20/60/80 (sorbierite monolaurate déshydraté PEG-20, PEG-20 monostéarate de sorbierite déshydraté, le monooléate de polyoxyéthylène sorbitan). Ils sont tensioactifs non ioniques / émulsifiants dérivés de sorbitol. Ils se dissout facilement dans l'eau, l'éthanol, le méthanol ou l'acétate d'éthyle, mais seulement un peu dans l'huile minérale.
    Portées: Span20 / 40/60/80 sont des esters d'acides gras de sorbitan / sorbitan, des esters qui sont des agents tensioactifs non ioniques avec des propriétés émulsionnantes, dispersantes et mouillantes. agents tensio-actifs sont Span produits par la déshydratation du sorbitol.
  • Phospholipides: le jaune d'oeuf, de soja ou la lécithine de produits laitiers
  • protéines amphiphiles: isolat de protéines de lactosérum, caséinate
  • polysaccharides amphiphiles: gomme arabique, les amidons modifiés

Littérature / Références


Des ultrasons de haute performance ! La gamme de produits Hielscher couvre l'ensemble du spectre, depuis les ultrasons compacts de laboratoire jusqu'aux systèmes ultrasoniques industriels complets, en passant par les unités de paillasse.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.


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