Stabil nanoemulziók ultrahangos előállítása
- A nanoemulziókat – más néven miniemulziókat vagy szubmikronos emulziókat – számos alkalmazásban használják a kémiában, a festékek, bevonatok, kozmetikumok, gyógyszerek és élelmiszerek területén.
- Az ultrahangos készülékek rendkívül hatékony és megbízható technológiát kínálnak a hosszú távon stabil nanoemulziók előállításához.
Miért érdemes ultrahangot használni a nanoemulgeáláshoz?
Az ultrahangos nanoemulgeálás olyan technológia, amely alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahanghullámokat használ apró, jellemzően 10–200 nm méretű cseppekből álló, stabil és egyenletes emulziók létrehozására. Ez a technológia számos előnnyel rendelkezik a hagyományos emulgeálási módszerekkel szemben, amelyek különböző alkalmazásokban előnyösebbé teszik. Ezen előnyök közül néhány:
- Egyenletes részecskeméret: Az ultrahangos nanoemulgeálás kisméretű és egyenletes cseppeket hoz létre, amelyek jobb stabilitást és biológiai hozzáférhetőséget biztosítanak. Ezeknek a cseppeknek nagy a felület/térfogat arányuk, ami reakcióképesebbé és hatékonyabbá teszi őket különböző alkalmazásokban.
- Nagy stabilitás: Az ultrahangos nanoemulziók kis méretük és egyenletességük révén nagy kinetikai stabilitással rendelkeznek, ami ellenállóvá teszi őket a koaleszcenciával, a flokkulációval és az ülepedéssel szemben. Ez a stabilitás ideálissá teszi őket az élelmiszeripari, gyógyszerészeti, kozmetikai és kémiai alkalmazásokhoz.
- Csökkentett energiafogyasztás: Az ultrahangos nanoemulgeálás kisebb energiabevitelt igényel, mint a hagyományos emulgeálási módszerek, például a homogenizálás vagy a mikrofluidizálás, így energiahatékonyabb és költséghatékonyabb.
- Sokoldalúság: Az ultrahangos nanoemulgeálás sokféle anyag emulgeálására használható, beleértve a lipideket, a hidrofil vegyületeket és a vízben nem oldódó anyagokat. Ez sokoldalú technológiává teszi, amely különböző alkalmazásokban használható.
Rövid feldolgozási idő: Az ultrahangos nanoemulgeálás gyors folyamat, amely percek alatt elvégezhető, így nagyüzemi termelésre is alkalmas.
Összességében az ultrahangos nanoemulgeálás számos előnyt kínál a hagyományos emulgeálási módszerekkel szemben, így különböző alkalmazásokban előnyösebb technológiát jelent.
Átlátszó nanoemulzió ultrahangos előállítása az UP400ST ultrahangos készülékkel.
Nanoemulziók ultrahangos képzése
Az ultrahangos emulgeálást a nagy teljesítményű ultrahang hullámainak folyadékrendszerbe történő becsatolása idézi elő. A folyadék ultrahangos kezelése során két mechanizmus játszódik le:
- Az akusztikus tér olyan hullámokat kelt, amelyek áthaladnak a folyadékon, mikroturbulenciákat és határfelületi mozgást okozva. Ezáltal a határfázis instabillá válik, így a diszpergált (belső) fázis végül szétszakad, és cseppeket képez a folytonos (külső) fázisban.
- Az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása kavitációt hoz létre (Kentish et al. 2008). Az ultrahangos kavitáció során az ultrahanghullám nyomásciklusai miatt mikrobuborékok vagy üregek keletkeznek a közegben. A mikrobuborékok / üregek több hullámcikluson keresztül növekednek, amíg hevesen össze nem omlanak. A buborékok ilyen beroppanása helyileg szélsőséges körülményeket idéz elő, például rendkívül nagy nyírást, folyadéksugarakat, valamint szélsőséges felmelegedési és lehűlési sebességeket. (Suslick 1999).
Ezek a szélsőséges erők a diszpergált (belső) fázis elsődleges cseppjeit nanoméretű cseppekre bontják, és homogénen elkeverik őket a folytonos (külső) fázisban.
Itt olvashat bővebben az ultrahangos kavitáció emulgeálásra gyakorolt hatásairól!
Gyógyszerészeti nanoemulziók
Az ultrahanggal előállított lipid-miniemulziókat széles körben alkalmazzák farmakológiai hatóanyagok hordozójaként gyógyszerkészítményekben. A miniemulziók például parenterális gyógyszerhordozóként vagy a célszövetekbe történő gyógyszerbevitel eszközeként működhetnek. A kapszulázott hatóanyagok nagy biológiai hozzáférhetősége mellett a miniemulziók előnyei közé tartozik a nagy biokompatibilitás, a biológiai lebonthatóság, a stabilitás és a nagyüzemi előállítás egyszerűsége. Szerkezeti tulajdonságaiknak köszönhetően hidrofób és amfipatikus molekulákat egyaránt képesek befogadni. Az ultrahanggal előállított nanoemulziókba tokoferolokat, vitaminokat, kurkumint és számos más farmakológiai anyagot töltöttek be.
A Hielscher ultrahangos rendszerei megbízható emulgeálóberendezések a gyógyszerrel töltött nanoemulziók előállításához. Az ultrahangos emulgeáláshoz a Hielscher különféle tartozékokat kínál az emulgeálási folyamat optimalizálására. A Hielscher MultiPhaseCavitator egyedülálló kiegészítő az ultrahangos átfolyó cellákhoz, amelynél a második fázist igen keskeny sugárként közvetlenül az emulgeálás ultrahangos intenzív zónájába fecskendezik.
UP400ST ultrahangos készülék fokozott biológiai hozzáférhetőségű gyógyszerészeti nanoszuszpenziók formulálásához.
Élelmiszeripari minőségű nanoemulziók
A nanoemulziók különféle előnyöket kínálnak az élelmiszertermékek formulálásához. A nanoemulziók jól ellenállnak a gravitációs szétválásnak, a flokkulációnak és a koaleszcenciának, kis cseppméretük és nagy felületük révén pedig lehetővé teszik a funkcionális összetevők szabályozott felszabadulását és/vagy felszívódását. Emellett a hatóanyagok nagy biológiai hozzáférhetőségét biztosítják, ami fontos a tápanyagok és hatóanyagok beviteléhez. Továbbá kedvező formulálási tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel átlátszók vagy szemmel láthatóan áttetszők, szubmikronos / nanoméretű cseppjeik pedig sima és krémes szájérzetet eredményeznek. Ezért a stabil nanoemulziók előállítása az élelmiszeriparban mindenütt jelen lévő feladat, például vitaminokkal vagy zsírsavakkal dúsított termékek formulálásához (pl. C-vitamin, E-vitamin, növényi magolajból vagy halolajból származó omega-3, omega-6, omega-9), illetve ízesített termékek előállításához (pl. illóolajokkal).
Ultrahanggal diszpergált nanoemulzió nanoméretű cseppjeinek eloszlása (levendulaolaj-a-vízben emulzió). Az emulziót az UP400St ultrahangos szondával állították elő.
Kozmetikai nanoemulziók
Különösen a víz-az-olajban (W/O) nanoemulziók kínálnak különféle előnyöket a bioaktív hidrofil anyagok nanoméretű cseppekbe történő kapszulázásához (egyszeres vagy kettős emulziókban).
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a kozmetikai emulziók ultrahanggal végzett, felületaktív anyagok nélküli formulálásáról!
Miniemulziós polimerizáció
Az ultrahanggal segített miniemulziós polimerizációt különféle folyamatokban alkalmazzák – a szervetlen részecskék kapszulázásától a latexrészecskék szintéziséig. A nagy teljesítményű ultrahang kémiai reakciókban, például polimerizációban, szintézisben stb. történő alkalmazását szonokémiának nevezik.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a következőkről: szonokémia, a latex ultrahangos szintézise és ultrahangos kicsapatás!
Emulziók stabilizálása
Bár egyes nanoemulziók a nanoméretű cseppeknek és azok eloszlásának köszönhetően bármilyen felületaktív anyag vagy emulgeálószer alkalmazása nélkül is stabilak maradhatnak tárolás során, más nanoemulziók stabilizálószerek alkalmazását igénylik a hosszú távú stabilitás és az optimális termékminőség eléréséhez. A stabilizálás felületaktív anyagok (tenzidek) vagy stabilizálóként működő szilárd részecskék hozzáadásával valósítható meg. A szilárd részecskékkel stabilizált emulziókat Pickering-emulzióknak nevezik. A Pickering-emulziókban laktóz, albumin, lecitin, kitozán, ciklodextrin, maltodextrin, keményítő stb. használható kolloid stabilizálóként. Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahanggal létrehozott Pickering-emulziókról!
Az ultrahangos emulgeálás minden emulziótípus esetében elvégezhető. Kis léptékben könnyen megvizsgálható, hogy egy adott emulzióhoz szükség van-e stabilizálószerre.
Kérjük, vegye figyelembe, hogy a szükséges felületaktív anyag mennyisége a cseppméret csökkenésével növekszik, mivel a gömbök felület/térfogat arányát (S/V) a következő összefüggés adja meg: S/V = 3/R. Például minél kisebb egy részecske vagy csepp átmérője, annál nagyobb a felülete a térfogatához képest.
Ultrahangos emulgeálóberendezések
A stabil szubmikronos és nanoemulziók előállításához nagy teljesítményű ultrahangos berendezések szükségesek. A Hielscher ultrahangos emulgeálóberendezései igen nagy amplitúdókat biztosítanak (ipari ultrahangos készülékeknél akár 200µm, kérésre ennél nagyobb amplitúdók is elérhetők), hogy intenzív akusztikus teret hozzanak létre.
A stabil nanoemulziók előállításához azonban a nagy teljesítményű ultrahangos berendezés önmagában gyakran nem elegendő. Az elegendő ultrahangos teljesítmény mellett a folyamatparaméterek pontos szabályozása és kifinomult tartozékok (például szonotródák, átfolyó cellás reaktorok, hűtés) is szükségesek a nanoméretű cseppek kialakításához, valamint a vizes és az olajos fázis egymásban történő homogén diszpergálásához.
Hielscher MultiPhaseCavitator: A kiemelkedő minőségű, igen szűk cseppméret-eloszlású emulziók előállításához a Hielscher egyedülálló átfolyócellabetétet fejlesztett ki – a MultiPhaseCavitator berendezést. Ezzel a speciális átfolyócellás kiegészítővel az emulzió második fázisát 48 kis kanülön keresztül folyamatosan a kavitációs zónába fecskendezik. Ez a technológia lehetővé teszi igen kicsi, nanoméretű cseppek és rendkívül stabil emulziók megbízható és hatékony előállítását.
A Hielscher Ultrasonics az optimális feldolgozási eredményekhez szükséges, kiemelkedő minőségű ultrahangos rendszerek és tartozékok szállítására szakosodott. Az ultrahangos feldolgozás terén szerzett sokéves tapasztalatunk és ügyfeleinkkel folytatott szoros együttműködésünk biztosítja az ultrahangos technológia sikeres beépítését a gyártósorokba.
A kezdeti vizsgálatokhoz, a folyamatfejlesztéshez és a folyamatoptimalizáláshoz teljesen felszerelt technológiai laboratóriumot és műszaki központot kínálunk.
Emellett részletes tanácsadást, egyedi ultrahangos rendszerek fejlesztését, valamint átfogó műszaki szolgáltatást kínálunk a telepítéshez, a képzéshez és a karbantartáshoz.
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | csoportba kapcsolt UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Hasznos tudnivalók
Emulziók, cseppméret és felületaktív anyagok
Az emulziókat két, egymással nem elegyedő folyadék alkotja: az egyik folyadék – az úgynevezett diszpergált vagy belső fázis – gömb alakú cseppek formájában oszlik el a másik folyadékban, amelyet folytonos vagy külső fázisnak neveznek. Az emulziók képzéséhez leggyakrabban használt folyadékok az olaj és a víz. Ha az olajfázis a vízben/vizes fázisban diszpergálódik, a rendszer olaj-a-vízben emulzió, míg ha a víz/vizes fázis az olajfázisban diszpergálódik, akkor víz-az-olajban emulzió. Az emulziókat részecskeméretük és termodinamikai stabilitásuk alapján makroemulziókra, mikroemulziókra és nanoemulziókra különítik el.
Nanoemulziók
A nanoemulziók nanoméretű cseppekből álló nanorészecskés diszperziók. A nagy teljesítményű ultrahang nagy nyíróerői szétszakítják a cseppeket, így átmérőjük szubmikronos és nanoméretű tartományra csökken. Általában a kisebb cseppméret nagyobb emulzióstabilitást eredményez. A nanoemulziók lehetnek O/W (olaj-a-vízben), W/O (víz-az-olajban), illetve többszörös/kettős emulziók, például W/O/W és O/W/O típusúak. A nanoemulziók az állaguktól és a cseppmérettől függően átlátszók vagy akár áttetszők is lehetnek (a látható spektrumban). A nanoemulziókat általában 20 és 200nm közötti cseppmérettel határozzák meg. A cseppméret csökkenésével az emulzió koaleszcenciára való hajlama csökken (csökkenő Ostwald-érés).
A nanoanyagokat és nanoemulziókat a mikroemulziókétól eltérő fizikai tulajdonságok jellemzik. A nanoméretű részecskék vagy teljesen eltérő tulajdonságokat mutatnak, vagy jellegzetes tulajdonságaik igen szélsőséges formában jelentkeznek. A nanoemulziók látható megjelenése eltér a mikronméretű emulziókétól, mivel a cseppek túl kicsik ahhoz, hogy interferáljanak a látható spektrum optikai hullámhosszaival. Ezért a nanoemulziók igen csekély fényszórást mutatnak, és átlátszónak vagy optikailag áttetszőnek tűnnek.
Az emulzió cseppméretét befolyásolja az olajfázis összetétele, a folytonos és a diszpergált fázis határfelületi tulajdonságai és viszkozitása, az emulgeálószer/felületaktív anyag típusa, az emulgeálás során fellépő nyírási sebesség, valamint az olajfázis vízben való oldhatósága.
A nanoemulziókat széles körben használják különféle alkalmazásokban, például gyógyszerbevitelben, élelmiszerekben és italokban, kozmetikumokban, gyógyszerkészítményekben, valamint az anyagtudományban és a szintézisben.
Felületaktív anyagok
Az emulgeálószerek alapvető fontosságúak a stabil emulzió / nanoemulzió előállításához. Az emulgeálószerek olyan felületaktív anyagok, amelyek védőréteget képeznek a csepp körül, és csökkentik a határfelületi feszültséget, ezáltal megakadályozva az Ostwald-érést, a koaleszcenciát és a krémesedést.
A felületaktív anyagok típusai:
- Kis molekulájú felületaktív anyagok: a nemionos emulgeálószerek, például a Tween és a Span, szájon át, parenterálisan és bőrön alkalmazva kis toxicitást és irritáló hatást mutatnak, ezért előnyben részesítik őket az ionos emulgeálószerekkel szemben. A Tween és a Span az élelmiszeripari, gyógyszeripari és kozmetikai emulziós készítmények előnyben részesített stabilizálószerei.
Tween típusú anyagok: A Tween 20/60/80 poliszorbát 20/60/80 néven ismert (PEG-20 dehidratált sorbierite-monolaurát, PEG-20 dehidratált sorbierite-monosztearát, polioxietilén-szorbitán-monooleát). Ezek szorbitból származó nemionos felületaktív anyagok / emulgeálószerek. Vízben, etanolban, metanolban vagy etil-acetátban könnyen oldódnak, ásványolajban azonban csak kis mértékben.
Span típusú anyagok: A Span20/40/60/80 szorbitán-zsírsavészterek / szorbitánészterek, amelyek emulgeáló, diszpergáló és nedvesítő tulajdonságokkal rendelkező nemionos felületaktív anyagok. A Span felületaktív anyagokat a szorbit dehidratálásával állítják elő. - Foszfolipidek: tojássárgája, szója- vagy tejlecitin
- Amfifil fehérjék: tejsavófehérje-izolátum, kazeinát
- Amfifil poliszacharidok: gumiarábikum, módosított keményítők
Szakirodalom / Hivatkozások
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Pratap-Singh, A.; Guo, Y.; Lara Ochoa, S.; Fathordoobady, F.; Singh, A. (2021): Optimal ultrasonication process time remains constant for a specific nanoemulsion size reduction system. Scientific Report 11; 2021.
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 9(2):170-175.
- Suslick, K.S. (1999): Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.