Ultrasonic Production of Stable Nanoemulsions
- nanoemulsions – Juga dikenal sebagai miniemulsi atau emulsi submikron – digunakan dalam berbagai aplikasi dalam kimia, cat, pelapis, kosmetik, obat-obatan dan makanan.
- Ultrasonikator dikenal sebagai teknik yang sangat efisien dan andal untuk produksi nanoemulsi stabil jangka panjang.
Mengapa Ultrasonik untuk Nanoemulsifikasi
Nanoemulsifikasi ultrasonik adalah teknik yang memanfaatkan gelombang ultrasound frekuensi rendah dan 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 ketersediaan hayati 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 ukurannya yang kecil dan keseragaman, yang membuatnya tahan terhadap penggabungan, flokulasi, dan sedimentasi. Stabilitas ini membuatnya ideal untuk digunakan dalam aplikasi makanan, obat-obatan, 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 bening menggunakan ultrasonicator UP400ST.
Pembentukan Ultrasonik Nanoemulsi
Emulsifikasi ultrasonik disebabkan oleh menggabungkan 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 antar muka. Dengan demikian, fase batas menjadi tidak stabil, sehingga fase yang tersebar (internal) akhirnya pecah dan membentuk tetesan pada fase kontinu (eksternal).
- Penerapan ultrasonik frekuensi rendah dan daya tinggi menghasilkan kavitasi (Kentish et al. 2008). Dengan kavitasi ultrasonik, gelembung mikro atau rongga terbentuk dalam media karena siklus tekanan gelombang ultrasound. Gelembung mikro / rongga tumbuh selama beberapa siklus gelombang sampai runtuh dengan keras. Ledakan gelembung ini menyebabkan kondisi ekstrem lokal seperti geser yang sangat tinggi, semburan cair, dan laju pemanasan dan pendinginan yang ekstrem. (Suslick 1999).
Kekuatan ekstrem ini memecah tetesan primer dari fase terdispersi (internal) ke tetesan ukuran nano dan mencampurnya secara homogen ke dalam fase kontinu (eksternal).
Baca di sini lebih lanjut tentang efek kavitasi ultrasonik pada emulsifikasi!
Nanoemulsi Farmasi
Emulsi mini lipid – diproduksi oleh ultrasonik – banyak diterapkan sebagai pembawa agen farmakologis dalam formulasi farmasi. Misalnya, miniemulsi dapat bertindak sebagai pembawa obat parenteral atau perangkat pengiriman obat ke jaringan target. Selain ketersediaan hayati yang tinggi dari senyawa aktif yang dienkapsulasi, keunggulan miniemulsi terletak pada biokompatibilitas yang tinggi, biodegradabilitas, stabilitas, dan kemudahan produksi skala besar. Karena sifat strukturalnya, mereka dapat menggabungkan molekul hidrofobik dan amfipatik. Nanoemulsi yang disiapkan secara ultrasonik telah sarat dengan tokoferol, vitamin, curcurmin dan banyak zat farmakologis lainnya.
Sistem ultrasonik Hielscher adalah pengemulsi yang andal untuk persiapan nanoemulsi yang mengandung obat. Untuk emulsifikasi ultrasonik, Hielscher menawarkan berbagai aksesori untuk mengoptimalkan proses pengemulsi. Hielschers MultiPhaseCavitator adalah add-on unik untuk sel aliran ultrasonik, di mana fase kedua disuntikkan sebagai aliran yang sangat sempit langsung ke zona titik panas ultrasonik emulsifikasi.
Ultrasonicator UP400St untuk formulasi nanosuspensi farmasi dengan peningkatan bioavailbilitas.
Nanoemulsi Kelas Makanan
Nanoemulsi menawarkan berbagai manfaat untuk formulasi produk makanan. Nanoemulsi menunjukkan stabilitas yang baik untuk pemisahan gravitasi, flokulasi, penggabungan, dan menawarkan pelepasan dan/atau penyerapan bahan fungsional yang terkontrol karena ukuran tetesannya yang kecil dan luas permukaannya yang besar. Selain itu, mereka menawarkan ketersediaan hayati senyawa aktif yang tinggi yang penting untuk pengiriman nutrisi dan zat aktif. Selain itu, mereka menawarkan sifat formulasi yang baik karena transparan atau tembus pandang secara visual dan tetesan berukuran submikron/nano menyebabkan rasa mulut yang halus dan lembut. Dengan demikian, produksi nano-emulsi yang stabil adalah tugas yang ada di mana-mana untuk industri makanan, misalnya untuk merumuskan 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 beraroma (misalnya dengan minyak esensial).
Distribusi tetesan berukuran nano dari nanoemulsi yang tersebar secara ultrasonik (emulsi minyak lavender dalam air). Emulsi disiapkan dengan probe ultrasonik UP400St.
Nanoemulsi Kosmetik
Terutama nanoemulsi water-in-oil (W/O) menawarkan berbagai manfaat untuk enkapsulasi zat hidrofilik bioaktif ke dalam tetesan skala 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 ultrasound daya untuk reaksi kimia seperti polimerisasi, sintesis dll dikenal sebagai sonokimia.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang Sonochemistry, sintesis ultrasonik lateks dan Presipitasi ultrasonik!
Stabilisasi emulsi
Meskipun beberapa nanoemulsi dapat disimpan di rak tanpa menggunakan surfaktan atau pengemulsi karena ukuran dan distribusi tetesan berskala nano, nanoemulsi lainnya memerlukan penggunaan zat penstabil untuk mendapatkan stabilitas jangka panjang dan kualitas produk yang optimal. Stabilisasi dapat dilakukan dengan menambahkan surfaktan (tensid) atau partikel padat yang bertindak sebagai stabilisator. Emulsi, yang distabilkan oleh partikel padat dikenal sebagai emulsi Pickering. Laktosa, albumin, lesitin, kitosan, siklodekstrin, maltodekstrin, pati dll 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. Jika agen penstabil diperlukan untuk emulsi tertentu, dapat dengan mudah diuji dalam skala kecil.
Harap dicatat bahwa jumlah surfaktan yang dibutuhkan meningkat dengan ukuran tetesan yang menurun karena rasio luas permukaan terhadap volume (S/V) untuk bola diberikan oleh: S/V = 3/R. Misalnya, semakin kecil diameter partikel atau tetesan, semakin besar luas permukaan yang dimilikinya relatif terhadap volumenya.
Peralatan Emulsifikasi Ultrasonik
Produksi emulsi submikron dan nano yang stabil membutuhkan peralatan ultrasonik yang kuat. Peralatan emulsifikasi ultrasonik Hielscher memberikan amplitudo yang sangat tinggi (hingga 200μm untuk ultrasonicator industri, amplitudo yang lebih tinggi berdasarkan permintaan) untuk menghasilkan medan akustik yang intens.
Namun, untuk produksi nanoemulsi yang stabil, peralatan ultrasound daya saja seringkali tidak cukup. Selain daya ultrasonik yang memadai, kontrol parameter proses yang tepat, dan aksesori canggih (seperti sonotrode, reaktor sel aliran, pendinginan) diperlukan untuk mendapatkan tetesan berukuran nano dan dispersi homogen keduanya, fase berair dan minyak satu sama lain.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Untuk menghasilkan emulsi yang 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 zona kavitasi. Teknologi ini memungkinkan produksi yang andal dan berkhasiat, tetesan ukuran nano yang sangat kecil dan emulsi yang sangat stabil.
Hielscher Ultrasonics mengkhususkan diri dalam memasok sistem dan aksesori ultrasonik yang unggul untuk hasil pemrosesan yang optimal. Pengalaman jangka panjang kami dalam pemrosesan ultrasonik dan kerja sama erat kami dengan klien kami memastikan keberhasilan penerapan ultrasonik ke dalam jalur 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 pemasangan, 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 / mnt | 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 yang tidak dapat bercampur: Salah satu cairan – yang disebut fase terdispersi atau internal – tersebar sebagai tetesan bola di dalam cairan lain, yang dikenal sebagai fase kontinu atau eksternal. Cairan yang paling menonjol yang digunakan untuk membentuk emulsi adalah minyak dan air. Ketika fase oli tersebar dalam fase air/berair, sistem adalah emulsi minyak-dalam-air, sedangkan ketika fase air/berair tersebar dalam fase oli, itu adalah emulsi air-dalam-minyak. Emulsi dibedakan masing-masing ukuran partikel dan stabilitas termodinamika sebagai makroemulsi, mikroemulsi, dan nanoemulsi, masing-masing.
nanoemulsions
Nanoemulsi adalah dispersi nanopartikulat, yang terdiri dari tetesan berukuran nano. Gaya geser tinggi dari ultrasound daya memecahkan tetesan sehingga direduksi menjadi diameter submikron dan nano. Umumnya, ukuran tetesan yang lebih kecil menghasilkan stabilitas emulsi yang lebih besar. Nanoemulsi dapat dibedakan sebagai O/W (oil-in-water), W/O (water-in-oil) atau sebagai emulsi multipel/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 ditentukan oleh ukuran tetesan antara 20 dan 200nm. Dengan ukuran tetesan menurun, kecenderungan emulsi untuk penggabungan menurun (menurunnya pematangan Ostwald).
Nanomaterial dan nanoemulsi dicirikan oleh sifat fisik yang berbeda dari mikroemulsi. Partikel berukuran nano menunjukkan sifat yang sama sekali berbeda atau sifat khasnya diekspresikan dalam bentuk yang sangat ekstrim. Penampilan nanoemulsi yang terlihat memiliki penampilan yang berbeda dari emulsi berukuran mikron karena tetesannya terlalu kecil untuk mengganggu panjang gelombang optik spektrum yang terlihat. Oleh karena itu nanoemulsi menunjukkan hamburan cahaya yang sangat sedikit dan tampak transparan atau tembus cahaya secara optik.
Ukuran tetesan emulsi dipengaruhi oleh komposisi fase minyak, sifat antarmuka dan viskositas keduanya, fase kontinu dan terdispersi, jenis pengemulsi/surfaktan, laju geser selama emulsifikasi, serta kelarutan fase oli dalam air.
Nanoemulsi banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti pengiriman obat, makanan & minuman, kosmetik, farmasi, dan ilmu material & Sintesis.
surfaktan
Pengemulsi merupakan faktor penting untuk menyiapkan emulsi / nanoemulsi yang stabil. Pengemulsi adalah agen aktif permukaan yang membentuk lapisan pelindung tentang tetesan dan mengurangi ketegangan antarmuka, sehingga mencegah pematangan Ostwald, penggabungan, dan krim.
Jenis surfaktan:
- Surfaktan molekul kecil: Pengemulsi non-ionik seperti Tween dan Span menunjukkan toksisitas dan iritasi yang rendah ketika diberikan secara oral, parenteral dan dermal dan oleh karena itu lebih disukai daripada pengemulsi ionik. Tween dan Span adalah stabilisator yang disukai untuk formulasi emulsi dalam industri makanan, farmasi, dan kosmetik.
Remaja: Tween 20/60/80 dikenal sebagai polysorbate 20/60/80 (PEG-20 sorbierite dehidrasi monolaurate, PEG-20 sorbierite dehidrasi monostearat, polyoxyethylene sorbitan monooleate). Mereka adalah surfaktan / pengemulsi nonionik yang berasal dari sorbitol. Mereka mudah larut dalam air, etanol, metanol atau etil asetat, tetapi hanya sedikit dalam minyak mineral.
Mencakup: Span20/40/60/80 adalah ester asam lemak sorban / ester sorbitan, yang merupakan surfaktan non-ionik dengan sifat pengemulsi, penyebaran, dan pembasahan. Surfaktan span diproduksi oleh dehidrasi sorbitol. - Fosfolipid: kuning telur, lesitin kedelai atau susu
- Protein amfifilik: Isolat protein whey, kaseinat
- Polisakarida amfifilik: getah arab, pati yang dimodifikasi
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 dari laboratorium hingga ukuran industri.