ייצור אולטרסוני של ננו־תחליבים יציבים

• ננו־תחליבים – הידועים גם כמיני־תחליבים או כתחליבים תת־מיקרוניים – משמשים במגוון רחב של יישומים בכימיה, בצבעים, בציפויים, בקוסמטיקה, בתרופות ובמזון.
• מכשירים אולטרסוניים מוכרים כאמצעי יעיל ואמין ביותר לייצור ננו־תחליבים יציבים לאורך זמן.

מדוע להשתמש באולטרסאונד לננו־תחלוב

ננו־תחלוב אולטרסוני הוא טכניקה המשתמשת בגלי אולטרסאונד בתדר נמוך ובהספק גבוה ליצירת תחליבים יציבים ואחידים של טיפות זעירות, בדרך כלל בטווח של 10–200 nm. לטכניקה זו כמה יתרונות על פני שיטות תחלוב מסורתיות, המקנים לה עדיפות ביישומים שונים. כמה מהיתרונות האלה הם:

• גודל חלקיקים אחיד: ננו־תחלוב אולטרסוני מייצר טיפות קטנות ואחידות, המציעות יציבות וזמינות ביולוגית טובות יותר. לטיפות אלה יחס גבוה בין שטח הפנים לנפח, ההופך אותן לפעילות יותר מבחינה כימית וליעילות יותר ביישומים שונים.
• יציבות גבוהה: לננו־תחליבים אולטרסוניים יציבות קינטית גבוהה בזכות גודלם הקטן ואחידותם, המקנה להם עמידות בפני התמזגות טיפות, פתיתה ושקיעה. יציבות זו הופכת אותם לאידיאליים לשימוש ביישומי מזון, תרופות, קוסמטיקה וכימיה.
• צריכת אנרגיה מופחתת: ננו־תחלוב אולטרסוני דורש השקעת אנרגיה נמוכה יותר משיטות תחלוב מסורתיות, כגון הומוגניזציה או מיקרופלואידיזציה, ולכן הוא יעיל יותר מבחינה אנרגטית ומשתלם יותר מבחינה כלכלית.
• רב־תכליתיות: ניתן להשתמש בננו־תחלוב אולטרסוני לתחלוב מגוון רחב של חומרים, ובהם ליפידים, תרכובות הידרופיליות וחומרים שאינם מסיסים במים. משום כך זוהי טכניקה רב־תכליתית שניתן להשתמש בה ביישומים שונים.
  זמן עיבוד קצר: ננו־תחלוב אולטרסוני הוא תהליך מהיר שניתן להשלים בתוך דקות, ולכן הוא מתאים לייצור בקנה מידה גדול.

בסך הכול, ננו־תחלוב אולטרסוני מציע כמה יתרונות על פני שיטות תחלוב מסורתיות, המקנים לו עדיפות כטכניקה ליישומים שונים.
 

יצירה אולטרסונית של ננו־תחליבים

תחלוב אולטרסוני מתרחש באמצעות צימוד גלי אולטרסאונד בהספק גבוה למערכת נוזלית. בעת סוניקציה של נוזל מתרחשים שני מנגנונים:

1. השדה האקוסטי יוצר גלים הנעים דרך הנוזל וגורמים למיקרו־מערבולות ולתנועה בממשק. כתוצאה מכך, פאזת הגבול נעשית בלתי יציבה, כך שהפאזה המפוזרת (הפנימית) מתפרקת בסופו של דבר ויוצרת טיפות בתוך הפאזה הרציפה (החיצונית).
2. הפעלת אולטרסאונד בתדר נמוך ובהספק גבוה יוצרת קוויטציה (Kentish et al. 2008). בקוויטציה אולטרסונית נוצרות בתווך מיקרו־בועות או חללים עקב מחזורי הלחץ של גל האולטרסאונד. המיקרו־בועות / החללים גדלים לאורך כמה מחזורי גל עד שהם קורסים בעוצמה. קריסה זו של הבועות יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, כגון גזירה גבוהה מאוד, סילוני נוזל וקצבי חימום וקירור קיצוניים. (Suslick 1999).

כוחות קיצוניים אלה מפרקים טיפות ראשוניות של הפאזה המפוזרת (הפנימית) לטיפות בגודל ננומטרי ומערבבים אותן באופן הומוגני בתוך הפאזה הרציפה (החיצונית).
קראו כאן עוד על השפעות הקוויטציה האולטרסונית על תחלוב!

ננו־תחליבים לתכשירים פרמצבטיים

מיני־אמולסיות ליפידיות – המיוצרות באמצעות אולטרסאונד – משמשות בהיקף נרחב כנשא לחומרים פרמקולוגיים בפורמולציות תרופתיות. לדוגמה, מיני־אמולסיות יכולות לשמש כנשא לתרופות במתן פרנטרלי או כאמצעי להובלת תרופות לרקמות מטרה. מלבד הזמינות הביולוגית הגבוהה של התרכובות הפעילות המכומסות, יתרונותיהן של מיני־אמולסיות טמונים בתאימות הביולוגית הגבוהה שלהן, ביכולתן להתפרק ביולוגית, ביציבותן ובקלות ייצורן בקנה מידה גדול. בשל תכונותיהן המבניות, הן יכולות להכיל מולקולות הידרופוביות וגם מולקולות אמפיפתיות. ננו־אמולסיות שהוכנו באמצעות אולטרסאונד הוטענו בטוקופרולים, בוויטמינים, בכורכומין ובחומרים פרמקולוגיים רבים אחרים.
המערכות האולטרסוניות של Hielscher הן מתחלבים אמינים להכנת ננו־אמולסיות המוטענות בתרופות. לצורך התחלוב האולטרסוני, Hielscher מציעה אביזרים שונים למיטוב תהליך התחלוב. MultiPhaseCavitator של Hielscher הוא תוסף ייחודי לתאי זרימה אולטרסוניים, שבו הפאזה השנייה מוזרקת כזרם צר מאוד ישירות לאזור המוקד האולטרסוני של התחלוב.

ננו־אמולסיות בדרגת מזון

ננו־אמולסיות מציעות יתרונות שונים להכנת פורמולציות של מוצרי מזון. ננו־אמולסיות מפגינות יציבות טובה בפני הפרדה בהשפעת כוח הכבידה, פלוקולציה והתלכדות, ומאפשרות שחרור מבוקר ו/או ספיגה מבוקרת של רכיבים פונקציונליים בזכות גודל הטיפות הקטן ושטח הפנים הגדול שלהן. נוסף על כך, הן מציעות זמינות ביולוגית גבוהה של תרכובות פעילות, החשובה להובלת חומרי הזנה וחומרים פעילים. כמו כן, הן מציעות תכונות טובות להכנת פורמולציות, שכן הן שקופות או שקופות למחצה למראה, והטיפות שלהן, שגודלן תת־מיקרוני / ננומטרי, יוצרות תחושת פה חלקה וקרמית. לפיכך, ייצור ננו־אמולסיות יציבות הוא משימה רווחת בכל ענפי תעשיית המזון, למשל להכנת פורמולציות של מוצרים מועשרים בוויטמינים או בחומצות שומן (למשל ויטמין C, ויטמין E, omega-3, omega-6, omega-9 שמקורן בשמן זרעי צמחים או בשמן דגים), או לייצור מוצרים בטעמים (למשל עם שמנים אתריים).

התפלגות טיפות בגודל ננומטרי בננו־אמולסיה שפוזרה באמצעות אולטרסאונד (אמולסיית שמן לבנדר במים). האמולסיה הוכנה באמצעות הגשוש האולטרסוני UP400St.

ננו־אמולסיות קוסמטיות

בייחוד ננו־אמולסיות מסוג מים בשמן (W/O) מציעות יתרונות שונים לכימוס חומר הידרופילי פעיל ביולוגית בתוך טיפות בגודל ננומטרי (באמולסיות יחידות או כפולות).
לחצו כאן לקריאה נוספת על הכנת פורמולציות של אמולסיות קוסמטיות ללא חומרים פעילי שטח באמצעות אולטרסאונד!

פילמור במיני־אמולסיה

פילמור במיני־אמולסיה בסיוע אולטרסאונד מיושם בתהליכים שונים – מכימוס חלקיקים אי־אורגניים ועד לסינתזה של חלקיקי לטקס. השימוש באולטרסאונד רב־עוצמה בתגובות כימיות כגון פילמור, סינתזה וכדומה מוכר כסונוכימיה.
לחצו כאן לקריאה נוספת על סונוכימיה, סינתזה אולטרסונית של לטקס וכן שיקוע אולטרסוני!

ייצוב אמולסיות

אף שחלק מהננו־אמולסיות יכולות להיות יציבות לאורך חיי המדף ללא שימוש בחומרים פעילי שטח או במתחלבים כלשהם, בזכות גודל הטיפות הננומטרי והתפלגותן, ננו־אמולסיות אחרות מחייבות שימוש בחומרים מייצבים להשגת יציבות ארוכת טווח ואיכות מוצר מיטבית. ניתן להשיג ייצוב באמצעות הוספת חומרים פעילי שטח (טנסידים) או חלקיקים מוצקים הפועלים כמייצבים. אמולסיות המיוצבות באמצעות חלקיקים מוצקים מוכרות כאמולסיות פיקרינג. לקטוז, אלבומין, לציטין, כיטוזן, ציקלודקסטרין, מלטודקסטרין, עמילן וכדומה יכולים לשמש כמייצבים קולואידיים באמולסיות פיקרינג. לחצו כאן למידע נוסף על אמולסיות פיקרינג המיוצרות באמצעות אולטרסאונד!
ניתן לבצע תחלוב אולטרסוני לכל סוגי התחליבים. ניתן לבדוק בקלות בקנה מידה קטן אם נדרש חומר מייצב לתחליב מסוים.
שימו לב שכמות החומר הפעיל השטח הנדרשת גדלה ככל שגודל הטיפות קטן, מכיוון שהיחס בין שטח הפנים לנפח (S/V) של כדורים נתון בנוסחה: S/V = 3/R. לדוגמה, ככל שקוטרו של חלקיק או של טיפה קטן יותר, כך שטח הפנים שלו גדול יותר ביחס לנפחו.

ציוד לתחלוב אולטרסוני

ייצור תחליבים תת־מיקרוניים וננו־תחליבים יציבים דורש ציוד אולטרסוני רב־עוצמה. ציוד התחלוב האולטרסוני של Hielscher מספק משרעות גבוהות מאוד (עד 200µm במכשירים אולטרסוניים תעשייתיים, ומשרעות גבוהות יותר לפי בקשה) ליצירת שדה אקוסטי עז.
עם זאת, לייצור ננו־תחליבים יציבים, ציוד אולטרסאונד רב־עוצמה לבדו אינו מספיק לעיתים קרובות. לצד הספק אולטרסוני מספק, נדרשים בקרה מדויקת של פרמטרי התהליך ואביזרים מתקדמים (כגון סונוטרודות, ריאקטורים עם תא זרימה וקירור) לקבלת טיפות בגודל ננומטרי ופיזור הומוגני של הפאזה המימית ופאזת השמן זו בזו.
Hielscher MultiPhaseCavitator: כדי לייצר תחליבים מעולים עם התפלגות גדלים צרה מאוד של הטיפות, פיתחה Hielscher רכיב הכנסה ייחודי לתא זרימה – ה־MultiPhaseCavitator. באמצעות תוסף מיוחד זה לתא הזרימה, הפאזה השנייה של התחליב מוזרקת ברציפות דרך 48 קנולות קטנות אל אזור הקוויטציה. טכנולוגיה זו מאפשרת ייצור אמין ויעיל של טיפות קטנות מאוד בגודל ננומטרי ושל תחליבים יציבים ביותר.

Hielscher Ultrasonics מתמחה באספקת מערכות ואביזרים אולטרסוניים מעולים לקבלת תוצאות עיבוד מיטביות. ניסיוננו רב השנים בעיבוד אולטרסוני ושיתוף הפעולה ההדוק שלנו עם לקוחותינו מבטיחים שילוב מוצלח של טכנולוגיה אולטרסונית בקווי ייצור.
לבדיקות ראשוניות, לפיתוח תהליכים ולאופטימיזציה של תהליכים, אנו מציעים מעבדת תהליכים ומרכז טכני המצוידים במלואם.
בנוסף, אנו מציעים ייעוץ מעמיק, פיתוח מערכות אולטרסוניות מותאמות אישית ושירות טכני מקיף להתקנה, להדרכה ולתחזוקה.