Ultrazvučna proizvodnja stabilnih nanoemulzija

• Nanoemulzije – poznate i kao miniemulzije ili submikronske emulzije – upotrebljavaju se u širokom rasponu primjena u kemiji, bojama, premazima, kozmetici, farmaceutskim proizvodima i hrani.
• Ultrazvučni uređaji poznati su kao vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za proizvodnju dugoročno stabilnih nanoemulzija.

Zašto upotrebljavati ultrazvuk za nanoemulgiranje

Ultrazvučno nanoemulgiranje tehnika je koja upotrebljava ultrazvučne valove niske frekvencije i velike snage za stvaranje stabilnih i ujednačenih emulzija sitnih kapljica, obično u rasponu od 10–200 nm. Ova tehnika ima nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne metode emulgiranja, zbog kojih je superiorna u različitim primjenama. Neke od tih prednosti su:

• Ujednačena veličina čestica: Ultrazvučnim nanoemulgiranjem nastaju male i ujednačene kapljice koje pružaju bolju stabilnost i bioraspoloživost. Te kapljice imaju velik omjer površine i volumena, što ih čini reaktivnijima i učinkovitijima u različitim primjenama.
• Visoka stabilnost: Ultrazvučno proizvedene nanoemulzije imaju visoku kinetičku stabilnost zbog male veličine i ujednačenosti kapljica, što ih čini otpornima na koalescenciju, flokulaciju i sedimentaciju. Ta ih stabilnost čini idealnima za primjenu u hrani, farmaceutskim proizvodima te kozmetičkim i kemijskim primjenama.
• Smanjena potrošnja energije: Ultrazvučno nanoemulgiranje zahtijeva manji unos energije od tradicionalnih metoda emulgiranja kao što su homogenizacija ili mikrofluidizacija, što ga čini energetski učinkovitijim i isplativijim.
• Svestranost: Ultrazvučno nanoemulgiranje može se upotrebljavati za emulgiranje širokog raspona materijala, uključujući lipide, hidrofilne spojeve i tvari netopljive u vodi. To ga čini svestranom tehnikom koja se može upotrebljavati u različitim primjenama.
  Kratko vrijeme obrade: Ultrazvučno nanoemulgiranje brz je proces koji se može dovršiti u nekoliko minuta, što ga čini prikladnim za proizvodnju velikih razmjera.

Općenito, ultrazvučno nanoemulgiranje nudi nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne metode emulgiranja, što ga čini superiornom tehnikom za različite primjene.
 

Ultrazvučno stvaranje nanoemulzija

Ultrazvučno emulgiranje nastaje prijenosom valova ultrazvuka velike snage u tekući sustav. Pri sonikaciji tekućine odvijaju se dva mehanizma:

1. Akustičko polje stvara valove koji se šire kroz tekućinu i uzrokuju mikroturbulencije te gibanje na međufaznoj površini. Pritom granična faza postaje nestabilna, tako da se dispergirana (unutarnja) faza naposljetku razbija i stvara kapljice u kontinuiranoj (vanjskoj) fazi.
2. Primjena ultrazvuka niske frekvencije i velike snage stvara kavitaciju (Kentish et al. 2008). Pri ultrazvučnoj kavitaciji u mediju nastaju mikromjehurići ili šupljine zbog cikličkih promjena tlaka ultrazvučnog vala. Mikromjehurići / šupljine rastu tijekom nekoliko valnih ciklusa sve dok se silovito ne uruše. Ta implozija mjehurića uzrokuje lokalno ekstremne uvjete, kao što su vrlo snažno smicanje, mlazovi tekućine te ekstremne brzine zagrijavanja i hlađenja. (Suslick 1999).

Te ekstremne sile razbijaju primarne kapljice dispergirane (unutarnje) faze na kapljice nanometarske veličine i homogeno ih umješavaju u kontinuiranu (vanjsku) fazu.
Ovdje pročitajte više o učincima ultrazvučne kavitacije na emulgiranje!

Farmaceutske nanoemulzije

Lipidne miniemulzije – proizvedene ultrazvukom – široko se primjenjuju kao nosači farmakoloških tvari u farmaceutskim formulacijama. Primjerice, miniemulzije mogu služiti kao parenteralni nosači lijekova ili sustavi za dostavu lijekova u ciljna tkiva. Osim visoke bioraspoloživosti inkapsuliranih aktivnih spojeva, prednosti miniemulzija uključuju visoku biokompatibilnost, biorazgradivost, stabilnost i jednostavnost proizvodnje u velikim razmjerima. Zbog svojih strukturnih svojstava mogu sadržavati hidrofobne i amfipatske molekule. U ultrazvučno pripremljene nanoemulzije ugrađeni su tokoferoli, vitamini, kurkumin i mnoge druge farmakološke tvari.
Ultrazvučni sustavi tvrtke Hielscher pouzdani su emulgatori za pripremu nanoemulzija s ugrađenim lijekovima. Za ultrazvučno emulgiranje Hielscher nudi raznovrstan pribor za optimizaciju postupka emulgiranja. Hielscher MultiPhaseCavitator jedinstven je dodatak za ultrazvučne protočne ćelije, u kojima se druga faza ubrizgava u obliku vrlo uskog mlaza izravno u ultrazvučnu zonu najintenzivnijeg emulgiranja.

Nanoemulzije za prehrambenu primjenu

Nanoemulzije nude razne prednosti pri formuliranju prehrambenih proizvoda. Nanoemulzije pokazuju dobru stabilnost prema gravitacijskom razdvajanju, flokulaciji i koalescenciji te omogućuju kontrolirano oslobađanje i/ili apsorpciju funkcionalnih sastojaka zahvaljujući malim kapljicama i velikoj površini. Osim toga, omogućuju visoku bioraspoloživost aktivnih spojeva, što je važno za dostavu hranjivih i aktivnih tvari. Nadalje, imaju dobra svojstva za formuliranje jer su prozirne ili vizualno poluprozirne, a njihove kapljice submikronske ili nanometarske veličine stvaraju gladak i kremast osjet u ustima. Stoga je proizvodnja stabilnih nanoemulzija sveprisutan zadatak u prehrambenoj industriji, primjerice pri formuliranju proizvoda obogaćenih vitaminima ili masnim kiselinama (npr. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 dobivene iz ulja biljnih sjemenki ili ribljeg ulja) ili pri proizvodnji aromatiziranih proizvoda (npr. s eteričnim uljima).

Raspodjela kapljica nanometarske veličine u ultrazvučno dispergiranoj nanoemulziji (emulzija lavandina ulja u vodi). Emulzija je pripremljena ultrazvučnom sondom UP400St.

Kozmetičke nanoemulzije

Osobito nanoemulzije vode u ulju (W/O) nude razne prednosti pri inkapsulaciji bioaktivne hidrofilne tvari u kapljice nanometarske veličine (u jednostrukim ili dvostrukim emulzijama).
Kliknite ovdje i pročitajte više o formuliranju kozmetičkih emulzija bez tenzida primjenom ultrazvuka!

Miniemulzijska polimerizacija

Miniemulzijska polimerizacija potpomognuta ultrazvukom primjenjuje se u različitim procesima – od inkapsulacije anorganskih čestica do sinteze čestica lateksa. Primjena ultrazvuka visoke snage u kemijskim reakcijama poput polimerizacije, sinteze itd. poznata je kao sonokemija.
Kliknite ovdje i pročitajte više o sonokemiji, ultrazvučnoj sintezi lateksa i ultrazvučnom taloženju!

Stabilizacija emulzija

Iako neke nanoemulzije mogu biti stabilne tijekom skladištenja bez upotrebe ikakvih tenzida ili emulgatora zahvaljujući nanometarskoj veličini i raspodjeli kapljica, druge nanoemulzije zahtijevaju upotrebu stabilizacijskih sredstava kako bi se postigle dugotrajna stabilnost i optimalna kvaliteta proizvoda. Stabilizacija se može postići dodavanjem površinski aktivnih tvari (tenzida) ili čvrstih čestica koje djeluju kao stabilizatori. Emulzije stabilizirane čvrstim česticama poznate su kao Pickeringove emulzije. Laktoza, albumin, lecitin, kitozan, ciklodekstrin, maltodekstrin, škrob itd. mogu se upotrebljavati kao koloidni stabilizatori u Pickeringovim emulzijama. Kliknite ovdje i saznajte više o ultrazvučno proizvedenim Pickeringovim emulzijama!
Ultrazvučno emulgiranje može se provoditi za sve vrste emulzija. Je li za određenu emulziju potrebno sredstvo za stabilizaciju može se jednostavno ispitati u malom mjerilu.
Imajte na umu da se potrebna količina površinski aktivne tvari povećava sa smanjenjem veličine kapljica jer je omjer površine i volumena (S/V) za kugle zadan izrazom: S/V = 3/R. Primjerice, što je promjer čestice ili kapljice manji, to je njezina površina veća u odnosu na volumen.

Oprema za ultrazvučno emulgiranje

Proizvodnja stabilnih submikronskih emulzija i nanoemulzija zahtijeva snažnu ultrazvučnu opremu. Hielscher oprema za ultrazvučno emulgiranje postiže vrlo visoke amplitude (do 200µm za industrijske ultrazvučne uređaje, više amplitude na zahtjev) kako bi se stvorilo intenzivno akustičko polje.
Međutim, za proizvodnju stabilnih nanoemulzija sama oprema za ultrazvuk velike snage često nije dovoljna. Osim dovoljne ultrazvučne snage, za dobivanje kapljica nanometarske veličine i homogene disperzije vodene i uljne faze jedne u drugoj potrebni su precizna kontrola procesnih parametara i sofisticirana dodatna oprema (poput sonotroda, reaktora s protočnom ćelijom i hlađenja).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Kako bi proizveo vrhunske emulzije s vrlo uskom raspodjelom veličine kapljica, Hielscher je razvio jedinstveni umetak za protočnu ćeliju – MultiPhaseCavitator. S ovim posebnim dodatkom za protočnu ćeliju druga faza emulzije kontinuirano se ubrizgava kroz 48 malih kanila u zonu kavitacije. Ova tehnologija omogućuje pouzdanu i učinkovitu proizvodnju vrlo sitnih kapljica nanometarske veličine i vrlo stabilnih emulzija.

Hielscher Ultrasonics specijaliziran je za isporuku vrhunskih ultrazvučnih sustava i dodatne opreme za optimalne rezultate obrade. Naše dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi i bliska suradnja s našim klijentima osiguravaju uspješnu primjenu ultrazvuka u proizvodnim linijama.
Za početna ispitivanja, razvoj procesa i optimizaciju procesa nudimo potpuno opremljen procesni laboratorij i tehnički centar.
Nadalje, nudimo detaljno savjetovanje, razvoj prilagođenih ultrazvučnih sustava i sveobuhvatnu tehničku podršku za ugradnju, obuku i održavanje.