Produksi Nanoemulsi Stabil secara Ultrasonik
- Nanoemulsi – juga dikenal sebagai miniemulsi atau emulsi submikron – digunakan dalam berbagai aplikasi di bidang kimia, cat, pelapis, kosmetik, farmasi, dan pangan.
- Sonikator dikenal sebagai teknik yang sangat efisien dan andal untuk produksi nanoemulsi yang stabil dalam jangka panjang.
Mengapa Menggunakan Ultrasonik untuk Nanoemulsifikasi
Nanoemulsifikasi ultrasonik adalah teknik yang memanfaatkan gelombang ultrasonik berfrekuensi rendah dan berdaya tinggi untuk menghasilkan emulsi stabil dan seragam yang terdiri dari tetesan kecil, biasanya dalam rentang 10–200 nm. Teknik ini memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode emulsifikasi tradisional, yang menjadikannya unggul dalam berbagai aplikasi. Beberapa keunggulan tersebut adalah:
- Ukuran partikel seragam: Nanoemulsifikasi ultrasonik menghasilkan tetesan kecil dan seragam, yang memberikan stabilitas dan bioavailabilitas lebih baik. Tetesan ini memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi, sehingga lebih reaktif dan efektif dalam berbagai aplikasi.
- Stabilitas tinggi: Nanoemulsi ultrasonik memiliki stabilitas kinetik yang tinggi berkat ukurannya yang kecil dan keseragamannya, sehingga tahan terhadap koalesensi, flokulasi, dan sedimentasi. Stabilitas ini menjadikannya ideal untuk digunakan dalam aplikasi pangan, farmasi, kosmetik, dan kimia.
- Konsumsi energi lebih rendah: Nanoemulsifikasi ultrasonik memerlukan masukan energi yang lebih rendah dibandingkan metode emulsifikasi tradisional seperti homogenisasi atau mikrofluidisasi, sehingga lebih hemat energi dan biaya.
- Keserbagunaan: Nanoemulsifikasi ultrasonik dapat digunakan untuk mengemulsikan beragam bahan, termasuk lipid, senyawa hidrofilik, dan zat yang tidak larut dalam air. Hal ini menjadikannya teknik serbaguna yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi.
Waktu pemrosesan singkat: Nanoemulsifikasi ultrasonik merupakan proses cepat yang dapat diselesaikan dalam hitungan menit, sehingga sesuai untuk produksi skala besar.
Secara keseluruhan, nanoemulsifikasi ultrasonik menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan metode emulsifikasi tradisional, sehingga menjadi teknik yang unggul untuk berbagai aplikasi.
Pembuatan nanoemulsi jernih secara ultrasonik menggunakan sonikator UP400ST.
Pembentukan Nanoemulsi secara Ultrasonik
Emulsifikasi ultrasonik terjadi melalui kopling gelombang ultrasonik berdaya tinggi ke dalam sistem cairan. Saat cairan disonikasi, terjadi dua mekanisme:
- Medan akustik menghasilkan gelombang yang merambat melalui cairan dan menyebabkan mikroturbulensi serta pergerakan antarmuka. Akibatnya, fase batas menjadi tidak stabil, sehingga fase terdispersi (internal) akhirnya pecah dan membentuk tetesan dalam fase kontinu (eksternal).
- Penerapan ultrasonik berfrekuensi rendah dan berdaya tinggi menghasilkan kavitasi (Kentish et al. 2008). Melalui kavitasi ultrasonik, gelembung mikro atau rongga terbentuk dalam medium akibat siklus tekanan gelombang ultrasonik. Gelembung mikro / rongga tersebut membesar selama beberapa siklus gelombang hingga runtuh dengan dahsyat. Implosi gelembung ini menimbulkan kondisi ekstrem secara lokal, seperti geser yang sangat tinggi, semburan cairan, serta laju pemanasan dan pendinginan yang ekstrem. (Suslick 1999).
Gaya ekstrem ini memecah tetesan primer fase terdispersi (internal) menjadi tetesan berukuran nano dan mencampurkannya secara homogen ke dalam fase kontinu (eksternal).
Baca selengkapnya di sini tentang pengaruh kavitasi ultrasonik terhadap emulsifikasi!
Nanoemulsi Farmasi
Miniemulsi lipid – yang diproduksi secara ultrasonik – banyak digunakan sebagai pembawa agen farmakologis dalam formulasi farmasi. Misalnya, miniemulsi dapat berfungsi sebagai pembawa obat parenteral atau sarana penghantaran obat ke jaringan sasaran. Selain bioavailabilitas tinggi dari senyawa aktif yang dienkapsulasi, keunggulan miniemulsi terletak pada biokompatibilitas, biodegradabilitas, dan stabilitasnya yang tinggi, serta kemudahan produksi skala besar. Berkat sifat strukturalnya, miniemulsi dapat menginkorporasikan molekul hidrofobik maupun amfipatik. Nanoemulsi yang dibuat secara ultrasonik telah dimuati tokoferol, vitamin, kurkumin, dan banyak zat farmakologis lainnya.
Sistem ultrasonik Hielscher merupakan pengemulsi yang andal untuk pembuatan nanoemulsi bermuatan obat. Untuk emulsifikasi ultrasonik, Hielscher menawarkan berbagai aksesori guna mengoptimalkan proses emulsifikasi. MultiPhaseCavitator dari Hielscher merupakan perangkat tambahan unik untuk sel alir ultrasonik, tempat fase kedua diinjeksikan sebagai aliran yang sangat sempit langsung ke zona titik panas ultrasonik pada proses emulsifikasi.
Sonikator UP400ST untuk formulasi nanosuspensi farmasi dengan bioavailabilitas yang ditingkatkan.
Nanoemulsi untuk Pangan
Nanoemulsi menawarkan berbagai manfaat untuk formulasi produk pangan. Nanoemulsi menunjukkan stabilitas yang baik terhadap pemisahan akibat gravitasi, flokulasi, dan koalesensi, serta menawarkan pelepasan dan/atau penyerapan bahan fungsional secara terkendali berkat ukuran tetesannya yang kecil dan luas permukaannya yang besar. Selain itu, nanoemulsi memberikan bioavailabilitas senyawa aktif yang tinggi, yang penting untuk penghantaran nutrien dan zat aktif. Nanoemulsi juga memiliki sifat formulasi yang baik karena transparan atau tampak translusen, dan tetesannya yang berukuran submikron / nano menghasilkan sensasi halus dan lembut seperti krim di mulut. Oleh karena itu, produksi nanoemulsi stabil merupakan tugas yang umum di seluruh industri pangan, misalnya untuk memformulasikan produk yang diperkaya vitamin atau asam lemak (misalnya vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 yang berasal dari biji tanaman atau minyak ikan) atau untuk menghasilkan produk berperisa (misalnya dengan minyak atsiri).
Distribusi tetesan berukuran nano dari nanoemulsi yang didispersikan secara ultrasonik (emulsi minyak lavender dalam air). Emulsi dibuat dengan probe ultrasonik UP400St.
Nanoemulsi Kosmetik
Khususnya nanoemulsi air dalam minyak (W/O) menawarkan berbagai manfaat untuk enkapsulasi zat hidrofilik bioaktif ke dalam tetesan berskala nano (dalam emulsi tunggal atau ganda).
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang formulasi emulsi kosmetik bebas surfaktan dengan ultrasonik!
Polimerisasi Miniemulsi
Polimerisasi miniemulsi berbantuan ultrasonik diterapkan pada berbagai proses – dari enkapsulasi partikel anorganik hingga sintesis partikel lateks. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi pada reaksi kimia seperti polimerisasi, sintesis, dan sebagainya dikenal sebagai sonokimia.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang sonokimia, sintesis lateks secara ultrasonik dan presipitasi ultrasonik!
Stabilisasi Emulsi
Meskipun beberapa nanoemulsi dapat tetap stabil selama penyimpanan tanpa penggunaan surfaktan atau pengemulsi berkat ukuran dan distribusi tetesan berskala nano, nanoemulsi lainnya memerlukan penggunaan zat penstabil untuk memperoleh stabilitas jangka panjang dan kualitas produk yang optimal. Stabilisasi dapat dicapai dengan menambahkan surfaktan (tensida) atau partikel padat yang berfungsi sebagai penstabil. Emulsi yang distabilkan oleh partikel padat dikenal sebagai emulsi Pickering. Laktosa, albumin, lesitin, kitosan, siklodekstrin, maltodekstrin, pati, dan sebagainya dapat digunakan sebagai penstabil koloid dalam emulsi Pickering. Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang emulsi Pickering yang dihasilkan secara ultrasonik!
Emulsifikasi ultrasonik dapat dilakukan untuk semua jenis emulsi. Kebutuhan zat penstabil untuk emulsi tertentu dapat dengan mudah diuji pada skala kecil.
Perhatikan bahwa jumlah surfaktan yang diperlukan meningkat seiring mengecilnya ukuran tetesan karena rasio luas permukaan terhadap volume (S/V) untuk bola dinyatakan sebagai: S/V = 3/R. Misalnya, semakin kecil diameter partikel atau tetesan, semakin besar luas permukaannya relatif terhadap volumenya.
Peralatan Emulsifikasi Ultrasonik
Produksi emulsi submikron dan nanoemulsi yang stabil memerlukan peralatan ultrasonik berdaya tinggi. Peralatan emulsifikasi ultrasonik Hielscher menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi (hingga 200µm untuk sonikator industri, amplitudo lebih tinggi tersedia sesuai permintaan) untuk menghasilkan medan akustik yang kuat.
Namun, untuk produksi nanoemulsi stabil, peralatan ultrasonik berdaya tinggi saja sering kali tidak cukup. Selain daya ultrasonik yang memadai, pengendalian parameter proses yang presisi dan aksesori canggih (seperti sonotrode, reaktor sel alir, sistem pendinginan) diperlukan untuk memperoleh tetesan berukuran nano serta dispersi homogen antara fase air dan fase minyak.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Untuk menghasilkan emulsi unggul dengan distribusi tetesan yang sangat sempit, Hielscher telah mengembangkan sisipan sel alir yang unik – MultiPhaseCavitator. Dengan perangkat tambahan khusus untuk sel alir ini, fase kedua emulsi diinjeksikan secara kontinu melalui 48 kanula kecil ke dalam zona kavitasi. Teknologi ini memungkinkan produksi tetesan berukuran nano yang sangat kecil dan emulsi yang sangat stabil secara andal dan efektif.
Hielscher Ultrasonics berspesialisasi dalam penyediaan sistem ultrasonik dan aksesori unggul untuk hasil pemrosesan yang optimal. Pengalaman panjang kami dalam pemrosesan ultrasonik dan kerja sama erat kami dengan pelanggan memastikan keberhasilan penerapan ultrasonik pada lini produksi.
Untuk pengujian awal, pengembangan proses, dan optimalisasi proses, kami menyediakan laboratorium proses dan pusat teknis dengan peralatan lengkap.
Selain itu, kami menawarkan konsultasi mendalam, pengembangan sistem ultrasonik yang disesuaikan, serta layanan teknis yang komprehensif untuk pemasangan, pelatihan, dan pemeliharaan.
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 0,5 hingga 1,5mL | tidak berlaku | VialTweeter | 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L/min | UIP6000hdT |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | gabungan beberapa unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Fakta yang Perlu Diketahui
Emulsi, Ukuran Tetesan, dan Surfaktan
Emulsi didefinisikan sebagai dua cairan yang tidak saling bercampur: Salah satu cairan – yang disebut fase terdispersi atau internal – terdispersi sebagai tetesan berbentuk bola di dalam cairan lainnya, yang dikenal sebagai fase kontinu atau eksternal. Cairan yang paling umum digunakan untuk membentuk emulsi adalah minyak dan air. Ketika fase minyak terdispersi dalam fase air, sistem tersebut merupakan emulsi minyak dalam air, sedangkan ketika fase air terdispersi dalam fase minyak, sistem tersebut merupakan emulsi air dalam minyak. Berdasarkan ukuran partikel dan stabilitas termodinamikanya, emulsi dibedakan menjadi makroemulsi, mikroemulsi, dan nanoemulsi.
Nanoemulsi
Nanoemulsi adalah dispersi nanopartikulat yang terdiri dari tetesan berukuran nano. Gaya geser tinggi dari ultrasonik berdaya tinggi memecah tetesan sehingga diameternya berkurang menjadi submikron dan nano. Secara umum, ukuran tetesan yang lebih kecil menghasilkan stabilitas emulsi yang lebih tinggi. Nanoemulsi dapat dibedakan menjadi O/W (minyak dalam air), W/O (air dalam minyak), atau emulsi multipel/ganda seperti W/O/W dan O/W/O. Nanoemulsi bersifat transparan atau bahkan translusen (dalam spektrum tampak), bergantung pada konsistensi dan ukuran tetesannya. Nanoemulsi umumnya didefinisikan memiliki ukuran tetesan antara 20 dan 200nm. Seiring mengecilnya ukuran tetesan, kecenderungan emulsi untuk mengalami koalesensi menurun (berkurangnya pematangan Ostwald).
Nanomaterial dan nanoemulsi dicirikan oleh sifat fisik yang berbeda dari mikroemulsi. Partikel berukuran nano menunjukkan sifat yang sepenuhnya berbeda atau sifat khasnya muncul dalam bentuk yang sangat ekstrem. Tampilan visual nanoemulsi berbeda dari emulsi berukuran mikron karena tetesannya terlalu kecil untuk berinteraksi dengan panjang gelombang optik dalam spektrum tampak. Oleh karena itu, nanoemulsi menunjukkan hamburan cahaya yang sangat kecil dan tampak transparan atau translusen secara optik.
Ukuran tetesan emulsi dipengaruhi oleh komposisi fase minyak, sifat antarmuka dan viskositas fase kontinu maupun fase terdispersi, jenis pengemulsi/surfaktan, laju geser selama emulsifikasi, serta kelarutan fase minyak dalam air.
Nanoemulsi banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti penghantaran obat, makanan & minuman, kosmetik, farmasi, serta ilmu & sintesis material.
Surfaktan
Pengemulsi merupakan faktor penting untuk membuat emulsi / nanoemulsi yang stabil. Pengemulsi adalah zat aktif permukaan yang membentuk lapisan pelindung di sekitar tetesan dan menurunkan tegangan antarmuka, sehingga mencegah pematangan Ostwald, koalesensi, dan pembentukan lapisan krim.
Jenis surfaktan:
- Surfaktan molekul kecil: Pengemulsi nonionik seperti Tween dan Span menunjukkan toksisitas dan daya iritasi yang rendah ketika diberikan secara oral, parenteral, dan dermal, sehingga lebih dipilih dibandingkan pengemulsi ionik. Tween dan Span merupakan penstabil pilihan untuk formulasi emulsi dalam industri pangan, farmasi, dan kosmetik.
Tween: Tween 20/60/80 dikenal sebagai polisorbat 20/60/80 (PEG-20 sorbierite terdehidrasi monolaurat, PEG-20 sorbierite terdehidrasi monostearat, polioksietilena sorbitan monooleat). Zat-zat ini merupakan surfaktan / pengemulsi nonionik yang berasal dari sorbitol. Zat-zat ini mudah larut dalam air, etanol, metanol, atau etil asetat, tetapi hanya sedikit larut dalam minyak mineral.
Span: Span20/40/60/80 merupakan ester asam lemak sorbitan / ester sorbitan, yaitu surfaktan nonionik dengan sifat pengemulsi, pendispersi, dan pembasah. Surfaktan Span diproduksi melalui dehidrasi sorbitol. - Fosfolipid: kuning telur, lesitin kedelai atau susu
- Protein amfifilik: isolat protein whey, kaseinat
- Polisakarida amfifilik: gom arab, pati termodifikasi
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 homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi mulai dari skala laboratorium hingga industri.