Ultrasonic Production of Stable Nanoemulsions
- nanoemulsions – juga dikenal sebagai miniemulsions atau emulsi submikron – digunakan dalam berbagai aplikasi dalam kimia, cat, pelapis, kosmetik, obat-obatan dan makanan.
- Ultrasonicators dikenal sebagai teknik yang sangat efisien dan andal untuk produksi nanoemulsi stabil jangka panjang.
Mengapa Ultrasonics untuk Nanoemulsifikasi
Nanoemulsifikasi ultrasonik adalah teknik yang memanfaatkan frekuensi rendah, gelombang ultrasound berdaya tinggi untuk membuat emulsi tetesan kecil yang stabil dan seragam, biasanya dalam kisaran 10-200 nm. Teknik ini memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode emulsifikasi tradisional, yang membuatnya unggul dalam berbagai aplikasi. Beberapa keunggulan tersebut adalah:
- Ukuran partikel seragam: Nanoemulsifikasi ultrasonik menghasilkan tetesan kecil dan seragam, yang menawarkan stabilitas dan bioavailabilitas yang lebih baik. Tetesan ini memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi, membuatnya lebih reaktif dan efektif dalam berbagai aplikasi.
- Stabilitas tinggi: Nanoemulsi ultrasonik memiliki stabilitas kinetik yang tinggi karena ukuran dan keseragamannya yang kecil, yang membuatnya tahan terhadap koalesensi, flokulasi, dan sedimentasi. Stabilitas ini membuatnya ideal untuk digunakan dalam aplikasi makanan, farmasi, kosmetik dan kimia.
- Mengurangi konsumsi energi: Nanoemulsifikasi ultrasonik membutuhkan input energi yang lebih rendah daripada metode emulsifikasi tradisional seperti homogenisasi atau mikrofluidisasi, membuatnya lebih hemat energi dan hemat biaya.
- Fleksibilitas: Nanoemulsifikasi ultrasonik dapat digunakan untuk mengemulsi berbagai bahan, termasuk lipid, senyawa hidrofilik, dan zat yang tidak larut dalam air. Ini menjadikannya teknik serbaguna yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi.
Waktu pemrosesan cepat: Nanoemulsifikasi ultrasonik adalah proses cepat yang dapat diselesaikan dalam hitungan menit, sehingga cocok untuk produksi skala besar.
Secara keseluruhan, nanoemulsifikasi ultrasonik menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan metode emulsifikasi tradisional, menjadikannya teknik yang unggul untuk berbagai aplikasi.
Persiapan ultrasonik dari nano-emulsi yang jelas menggunakan ultrasonikator UP400ST.
Ultrasonic Pembentukan nanoemulsions
Emulsifikasi ultrasonik disebabkan oleh kopling gelombang ultrasound daya ke dalam sistem cair. Dengan sonikasi cairan, dua mekanisme terjadi:
- Medan akustik menghasilkan gelombang yang bergerak melalui cairan dan menyebabkan mikroturbulensi dan gerakan interfacial. Dengan demikian, fase batas menjadi tidak stabil, sehingga fase terdispersi (internal) akhirnya pecah dan membentuk tetesan pada fase kontinu (eksternal).
- Penerapan frekuensi rendah, ultrasonik daya tinggi menghasilkan kavitasi (Kentish et al. 2008). Dengan kavitasi ultrasonik, microbubbles atau rongga terbentuk dalam medium karena siklus tekanan gelombang ultrasound. Microbubble / void tumbuh selama beberapa siklus gelombang sampai mereka runtuh dengan hebat. Ledakan gelembung ini menyebabkan kondisi ekstrem lokal seperti geser yang sangat tinggi, jet cair, dan laju pemanasan dan pendinginan yang ekstrem. (Sulick 1999).
Gaya ekstrem ini memecah tetesan primer fase terdispersi (internal) hingga tetesan nanosize dan mencampurnya secara homogen ke dalam fase kontinu (eksternal).
Baca di sini lebih lanjut tentang efek kavitasi ultrasonik pada emulsifikasi!
nanoemulsions farmasi
miniemulsions lipid – diproduksi oleh ultrasonik – secara luas digunakan sebagai pembawa untuk agen farmakologis dalam formulasi farmasi. Misalnya, miniemulsi dapat bertindak sebagai pembawa obat parenteral atau alat pengirim obat untuk menargetkan jaringan. Selain bioavailabilitas tinggi dari senyawa aktif yang dienkapsulasi, keuntungan miniemulsi terletak pada biokompatibilitas tinggi, biodegradabilitas, stabilitas, dan kemudahan produksi skala besar. Karena sifat strukturalnya, mereka dapat menggabungkan molekul hidrofobik dan amphipatis. Nanoemulsi yang disiapkan secara ultrasonik telah dimuati dengan tocopherol, vitamin, curcurmin dan banyak zat farmakologis lainnya.
Sistem ultrasonik Hielscher adalah pengemulsi yang andal untuk persiapan nanoemulsi berloding obat. Untuk emulsifikasi ultrasonik, Hielscher menawarkan berbagai aksesoris untuk mengoptimalkan proses emulsifying. Hielschers MultiPhaseCavitator adalah add-on unik untuk sel aliran ultrasonik, di mana fase kedua disuntikkan sebagai aliran yang sangat sempit langsung ke zona hot spot ultrasonik emulsifikasi.
ultrasonikator UP400St untuk formulasi nanosuspension farmasi dengan peningkatan bioavailbility.
Makanan-Grade nanoemulsions
Nanoemulsi menawarkan berbagai manfaat bagi perumusan produk makanan. Nanoemulsi menunjukkan stabilitas yang baik terhadap pemisahan gravitasi, flokulasi, koalesensi, dan pemberian pelepasan terkontrol dan / atau penyerapan bahan fungsional karena ukuran tetesan kecil dan luas permukaannya yang besar. Selain itu, mereka menawarkan bioavailabilitas tinggi senyawa aktif yang penting untuk pengiriman zat gizi dan zat aktif. Selanjutnya, mereka menawarkan sifat formulasi yang baik karena transparan atau tembus pandang visual dan tetesan submikron / nano mereka menyebabkan nuansa mulut halus dan lembut. Dengan demikian, produksi emulsi nano yang stabil adalah tugas mahakuasa untuk industri makanan, misalnya untuk merumuskan produk fortifikasi vitamin atau lemak asam (misalnya vitamin C, vitamin E omega-3, omega-6, omega-9 yang berasal dari biji tanaman atau minyak ikan) atau untuk menghasilkan produk rasa (misalnya dengan minyak esensial).
Distribusi tetesan nanosized dari nanoemulsi yang tersebar secara ultrasonik (emulsi minyak lavender dalam air). Emulsi disiapkan dengan probe ultrasonik UP400St.
nanoemulsions kosmetik
nanoemulsions terutama air dalam minyak (W / O) menawarkan berbagai manfaat untuk enkapsulasi zat hidrofilik bioaktif menjadi tetesan nano (di emulsi tunggal atau ganda).
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang formulasi surfaktan bebas dari emulsi kosmetik dengan ultrasonik!
Miniemulsion Polimerisasi
polimerisasi miniemulsion Ultrasonically dibantu diterapkan untuk berbagai proses – dari enkapsulasi partikel anorganik untuk sintesis partikel lateks. Penerapan kekuasaan USG reaksi kimia seperti polimerisasi, sintesis dll dikenal sebagai sonochemistry.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang Sonochemistry, sintesis ultrasonik lateks dan curah hujan ultrasonik!
emulsi stabilisasi
Meskipun beberapa nanoemulsions dapat rak stabil tanpa menggunakan surfaktan atau emulsifier karena ukuran tetesan Nano-skala dan distribusi, nanoemulsions lain memerlukan penggunaan menstabilkan agen untuk mendapatkan stabilitas jangka panjang dan produk yang optimal Kualitas. Stabilisasi dapat dicapai dengan menambahkan baik surfaktan (tensids) atau partikel padat yang bertindak sebagai stabilisator. Emulsi, yang distilkan oleh partikel padat dikenal sebagai emulsi Pickering. Laktosa, albumin, Lesitin, Chitosan, cyclodextrin, Maltodextrin, Pati dll dapat digunakan sebagai stabilisator koloid dalam emulsi Pickering. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang emulsi Pickering ultrasonically dihasilkan!
Ultrasonik emulsifikasi dapat dilakukan untuk semua jenis emulsi. Jika bahan stabilisasi diperlukan untuk emulsi tertentu, dapat dengan mudah diuji dalam skala kecil.
Harap dicatat bahwa jumlah yang dibutuhkan meningkat surfaktan dengan ukuran tetesan menurun karena rasio permukaan-daerah-to-volume (S / V) untuk bidang diberikan oleh: S / V = 3 / R. Sebagai contoh, lebih kecil diameter partikel atau tetesan, luas permukaan yang lebih memiliki relatif terhadap volume.
Ultrasonic Emulsification Peralatan
Produksi submikron dan nano-emulsi yang stabil membutuhkan peralatan ultrasonik yang kuat. Peralatan emulsifikasi ultrasonik Hielscher memberikan amplitudo yang sangat tinggi (hingga 200μm untuk ultrasonicators industri, amplitudo yang lebih tinggi berdasarkan permintaan) untuk menghasilkan medan akustik yang intens.
Namun, untuk produksi nanoemulsions stabil, peralatan listrik USG saja seringkali tidak cukup. Selain daya yang cukup ultrasonik, kontrol yang tepat dari parameter proses, dan aksesoris canggih (seperti sonotrodes, aliran reaktor sel, pendingin) yang diperlukan untuk mendapatkan tetesan berukuran nano dan dispersi yang homogen dari keduanya, air dan fase minyak ke satu sama lain.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Untuk menghasilkan emulsi unggul dengan distribusi tetesan yang sangat sempit, Hielscher telah mengembangkan sisipan sel aliran yang unik – MultiPhaseCavitator. Dengan add-on sel aliran khusus ini, fase kedua emulsi terus disuntikkan melalui 48 kanula kecil ke dalam zona kavitasi. Teknologi ini memungkinkan produksi tetesan ukuran nano yang sangat kecil dan berkhasiat dan emulsi yang sangat stabil.
Hielscher Ultrasonics khusus dalam memasok sistem ultrasonik unggul dan aksesoris untuk pengolahan hasil optimal. pengalaman jangka panjang kami dalam pengolahan ultrasonik dan kerjasama yang erat kami dengan klien kami memastikan keberhasilan pelaksanaan ultrasonik ke lini produksi.
Untuk pengujian awal, pengembangan proses, dan pengoptimalan proses, kami menawarkan laboratorium proses dan pusat teknis yang lengkap.
Selain itu, kami menawarkan konsultasi mendalam, pengembangan sistem ultrasonik yang disesuaikan dan layanan teknis yang mendalam untuk instalasi, pelatihan, dan pemeliharaan.
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 0.5 untuk 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L / menit | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Emulsi, Ukuran Tetesan, dan Surfaktan
Emulsi didefinisikan sebagai dua cairan bercampur: Salah satu cairan – yang disebut fase terdispersi atau internal yang – tersebar sebagai tetesan bola dalam cairan lainnya, yang dikenal sebagai fase kontinyu atau eksternal. Cairan yang paling menonjol digunakan untuk membentuk emulsi adalah minyak dan air. Ketika fase minyak terdispersi dalam air / fase air, sistem merupakan emulsi minyak-dalam-air, sementara saat air / fase berair terdispersi dalam fasa minyak, itu adalah emulsi air dalam minyak. Emulsi dibedakan masing-masing ukuran partikel dan stabilitas termodinamika sebagai macroemulsions, mikroemulsi, dan nanoemulsions, masing-masing.
nanoemulsions
Nanoemulsi adalah dispersi nanopartikel, yang terdiri dari tetesan berukuran nano. Kekuatan geser tinggi daya USG mematahkan tetesan sehingga dikurangi menjadi submikron dan diameter nano. Umumnya, ukuran tetesan yang lebih kecil menyebabkan stabilitas emulsi lebih besar. Nanoemulsi dapat dibedakan sebagai O / W (minyak dalam air), W / O (minyak dalam minyak) atau sebagai emulsi ganda / ganda seperti W / O / W dan O / W / O. Nanoemulsion transparan atau bahkan tembus pandang (dalam spektrum yang terlihat) tergantung pada konsistensi dan ukuran tetesan. Nanoemulsi umumnya didefinisikan dengan ukuran tetesan antara 20 dan 200nm. Dengan ukuran tetesan yang menurun, kecenderungan emulsi untuk koalesensi menurun (mengurangi pematangan Ostwald).
Nanomaterials dan nanoemulsi dicirikan oleh sifat fisik yang berbeda dari mikroemulsi. Partikel berukuran nano menunjukkan sifat yang sama sekali berbeda atau sifat khasnya dinyatakan dalam bentuk yang sangat ekstrem. Tampilan nanoemulsi yang terlihat memiliki tampilan yang berbeda dari pada emulsi seukuran mikron karena butirannya terlalu kecil untuk mengganggu panjang gelombang optik dari spektrum yang terlihat. Oleh karena itu nanoemulsi menunjukkan hamburan cahaya yang sangat sedikit dan tampak transparan atau tembus cahaya.
Ukuran tetesan emulsi dipengaruhi oleh komposisi fasa minyak, sifat antarmuka dan viskositas dari kedua, fase kontinyu dan tersebar, jenis emulsifier / surfaktan, laju geser selama emulsifikasi, serta kelarutan fasa minyak dalam air.
Nanoemulsions secara luas digunakan dalam aplikasi yang beragam seperti pemberian obat, makanan & minuman, kosmetik, farmasi, dan ilmu material & perpaduan.
surfaktan
Pengemulsi merupakan faktor penting untuk mempersiapkan emulsi yang stabil / nanoemulsion. Pengemulsi adalah agen aktif permukaan yang membentuk lapisan pelindung tentang tetesan dan mengurangi tegangan antar muka, sehingga mencegah pematangan Ostwald, peleburan, dan creaming.
Jenis surfaktan:
- molekul kecil surfaktan: emulsifier Non-ionik seperti Tween dan Span menunjukkan toksisitas rendah dan iritasi bila diberikan secara oral, parenteral dan dermal dan karena itu lebih disukai daripada emulsifier ionik. Tween dan Span adalah stabilisator yang lebih disukai untuk formulasi emulsi dalam makanan, farmasi dan industri cosmectic.
remaja: Tween 20/60/80 dikenal sebagai polisorbat 20/60/80 (PEG-20 dehidrasi sorbierite monolaurat, PEG-20 dehidrasi sorbierite monostearat, polioksietilena sorbitan monooleat). Mereka nonionik surfaktan / emulsifier yang berasal dari sorbitol. Mereka mudah larut dalam air, etanol, metanol atau etil asetat, tetapi hanya sedikit dalam minyak mineral.
meliputi: Span20 / 40/60/80 yang sorbitan ester asam lemak / ester sorbitan, yang adalah surfaktan non-ionik dengan pengemulsi, membubarkan, dan membasahi properti. surfaktan Span diproduksi oleh dehidrasi sorbitol. - Fosfolipid: kuning telur, kedelai atau lecithin susu
- protein amphiphilic: isolat protein Whey, caseinate
- polisakarida amphiphilic: gum arabic, modifikasi pati
Literatur/referensi
- 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.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizers ultrasonik kinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.