Produzione a ultrasuoni di nanoemulsioni stabili

• Le nanoemulsioni – note anche come miniemulsioni o emulsioni submicroniche – sono utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni nella chimica, nelle vernici, nei rivestimenti, nei cosmetici, nei prodotti farmaceutici e negli alimenti.
• I sonicatori sono riconosciuti come una tecnica altamente efficiente e affidabile per la produzione di nanoemulsioni stabili a lungo termine.

Perché utilizzare gli ultrasuoni per la nanoemulsificazione

La nanoemulsificazione a ultrasuoni è una tecnica che utilizza onde ultrasoniche a bassa frequenza e alta potenza per creare emulsioni stabili e uniformi di minuscole goccioline, generalmente nell’intervallo di 10–200 nm. Questa tecnica presenta diversi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di emulsificazione, che la rendono superiore in varie applicazioni. Alcuni di questi vantaggi sono:

• Dimensioni uniformi delle particelle: La nanoemulsificazione a ultrasuoni produce goccioline piccole e uniformi, che offrono una migliore stabilità e biodisponibilità. Queste goccioline presentano un elevato rapporto tra superficie e volume, che le rende più reattive ed efficaci in varie applicazioni.
• Elevata stabilità: Le nanoemulsioni prodotte a ultrasuoni presentano un’elevata stabilità cinetica grazie alle loro dimensioni ridotte e alla loro uniformità, che le rendono resistenti alla coalescenza, alla flocculazione e alla sedimentazione. Questa stabilità le rende ideali per l’impiego in applicazioni alimentari, farmaceutiche, cosmetiche e chimiche.
• Consumo energetico ridotto: La nanoemulsificazione a ultrasuoni richiede un apporto energetico inferiore rispetto ai metodi tradizionali di emulsificazione, come l’omogeneizzazione o la microfluidizzazione, risultando quindi più efficiente dal punto di vista energetico ed economico.
• Versatilità: La nanoemulsificazione a ultrasuoni può essere utilizzata per emulsionare un’ampia gamma di materiali, tra cui lipidi, composti idrofili e sostanze insolubili in acqua. Questo la rende una tecnica versatile, utilizzabile in varie applicazioni.
  Tempi di trattamento rapidi: La nanoemulsificazione a ultrasuoni è un processo rapido che può essere completato in pochi minuti, risultando adatto alla produzione su larga scala.

Nel complesso, la nanoemulsificazione a ultrasuoni offre diversi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di emulsificazione, rendendola una tecnica superiore per varie applicazioni.
 

Formazione di nanoemulsioni mediante ultrasuoni

L’emulsificazione a ultrasuoni è determinata dall’accoppiamento delle onde degli ultrasuoni di potenza con un sistema liquido. Durante la sonicazione di un liquido si verificano due meccanismi:

1. Il campo acustico genera onde che si propagano nel liquido e causano microturbolenze e un movimento interfacciale. Di conseguenza, la fase di confine diventa instabile, così che la fase dispersa (interna) finisce per frammentarsi e formare goccioline nella fase continua (esterna).
2. L’applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza e alta potenza genera cavitazione (Kentish et al. 2008). La cavitazione ultrasonica determina la formazione di microbolle o cavità nel mezzo a causa dei cicli di pressione dell’onda ultrasonica. Le microbolle / cavità crescono nel corso di diversi cicli dell’onda fino a collassare violentemente. Questa implosione delle bolle provoca localmente condizioni estreme, come forze di taglio molto elevate, getti di liquido e velocità estreme di riscaldamento e raffreddamento. (Suslick 1999).

Queste forze estreme frammentano le goccioline primarie della fase dispersa (interna) in goccioline di dimensioni nanometriche e le mescolano omogeneamente nella fase continua (esterna).
Leggete qui ulteriori informazioni sugli effetti della cavitazione ultrasonica sull’emulsificazione!

Nanoemulsioni farmaceutiche

Le miniemulsioni lipidiche – prodotte mediante ultrasuoni – sono ampiamente utilizzate come veicoli per agenti farmacologici nelle formulazioni farmaceutiche. Ad esempio, le miniemulsioni possono fungere da veicoli per farmaci somministrati per via parenterale o da sistemi di somministrazione di farmaci ai tessuti bersaglio. Oltre all’elevata biodisponibilità dei composti attivi incapsulati, i vantaggi delle miniemulsioni risiedono nella loro elevata biocompatibilità, biodegradabilità, stabilità e facilità di produzione su larga scala. Grazie alle loro proprietà strutturali, possono incorporare sia molecole idrofobe sia molecole anfipatiche. Le nanoemulsioni preparate mediante ultrasuoni sono state caricate con tocoferoli, vitamine, curcumina e molte altre sostanze farmacologiche.
I sistemi a ultrasuoni di Hielscher sono emulsionatori affidabili per la preparazione di nanoemulsioni caricate con farmaci. Per l’emulsificazione a ultrasuoni, Hielscher offre vari accessori per ottimizzare il processo di emulsificazione. Hielschers MultiPhaseCavitator è un accessorio unico per le celle di flusso a ultrasuoni, nel quale la seconda fase viene iniettata sotto forma di un flusso molto sottile direttamente nella zona di massima intensità ultrasonica dell’emulsificazione.

Nanoemulsioni per uso alimentare

Le nanoemulsioni offrono vari vantaggi per la formulazione di prodotti alimentari. Presentano una buona stabilità rispetto alla separazione gravitazionale, alla flocculazione e alla coalescenza e consentono il rilascio e/o l’assorbimento controllato degli ingredienti funzionali grazie alle dimensioni ridotte delle goccioline e alla loro ampia superficie. Inoltre, offrono un’elevata biodisponibilità dei composti attivi, importante per la somministrazione di nutrienti e sostanze attive. Presentano anche buone proprietà di formulazione, poiché sono trasparenti o visivamente traslucide e le loro goccioline di dimensioni submicroniche / nanometriche conferiscono una sensazione liscia e cremosa in bocca. La produzione di nanoemulsioni stabili è quindi un’attività onnipresente nell’industria alimentare, ad esempio per formulare prodotti arricchiti con vitamine o acidi grassi (ad es. vitamina C, vitamina E, omega-3, omega-6, omega-9 derivati da semi vegetali o olio di pesce) oppure per produrre prodotti aromatizzati (ad es. con oli essenziali).

Distribuzione delle goccioline di dimensioni nanometriche di una nanoemulsione dispersa mediante ultrasuoni (emulsione di olio di lavanda in acqua). L’emulsione è stata preparata con la sonda a ultrasuoni UP400St.

Nanoemulsioni cosmetiche

In particolare, le nanoemulsioni acqua in olio (W/O) offrono vari vantaggi per l’incapsulamento di sostanze idrofile bioattive in goccioline su scala nanometrica (in emulsioni semplici o doppie).
Fate clic qui per saperne di più sulla formulazione di emulsioni cosmetiche senza tensioattivi mediante ultrasuoni!

Polimerizzazione in miniemulsione

La polimerizzazione in miniemulsione assistita da ultrasuoni viene applicata a vari processi – dall’incapsulamento di particelle inorganiche alla sintesi di particelle di lattice. L’applicazione degli ultrasuoni di potenza a reazioni chimiche quali polimerizzazione, sintesi ecc. è nota come sonochimica.
Fate clic qui per saperne di più sulla sonochimica, sintesi del lattice mediante ultrasuoni e precipitazione mediante ultrasuoni!

Stabilizzazione delle emulsioni

Sebbene alcune nanoemulsioni possano rimanere stabili durante la conservazione senza l’impiego di tensioattivi o emulsionanti grazie alle dimensioni e alla distribuzione nanometriche delle goccioline, altre nanoemulsioni richiedono l’uso di agenti stabilizzanti per ottenere una stabilità a lungo termine e una qualità ottimale del prodotto. La stabilizzazione può essere ottenuta aggiungendo tensioattivi oppure particelle solide che agiscono da stabilizzanti. Le emulsioni stabilizzate da particelle solide sono note come emulsioni Pickering. Lattosio, albumina, lecitina, chitosano, ciclodestrina, maltodestrina, amido ecc. possono essere utilizzati come stabilizzanti colloidali nelle emulsioni Pickering. Fate clic qui per saperne di più sulle emulsioni Pickering generate mediante ultrasuoni!
L’emulsificazione a ultrasuoni può essere effettuata per tutti i tipi di emulsioni. La necessità di un agente stabilizzante per una specifica emulsione può essere facilmente verificata su piccola scala.
Si noti che la quantità di tensioattivo necessaria aumenta al diminuire delle dimensioni delle goccioline, poiché il rapporto tra superficie e volume (S/V) per le sfere è dato da: S/V = 3/R. Ad esempio, quanto più piccolo è il diametro di una particella o gocciolina, tanto maggiore è la sua superficie rispetto al volume.

Apparecchiature per l’emulsificazione a ultrasuoni

La produzione di emulsioni submicroniche e nanoemulsioni stabili richiede apparecchiature a ultrasuoni potenti. Le apparecchiature Hielscher per l’emulsificazione a ultrasuoni forniscono ampiezze molto elevate (fino a 200µm per i sonicatori industriali, ampiezze superiori su richiesta) per generare un campo acustico intenso.
Tuttavia, per la produzione di nanoemulsioni stabili, le sole apparecchiature a ultrasuoni di potenza spesso non sono sufficienti. Oltre a una potenza ultrasonica adeguata, sono necessari un controllo preciso dei parametri di processo e accessori sofisticati (come sonotrodi, reattori con cella di flusso e sistemi di raffreddamento) per ottenere goccioline di dimensioni nanometriche e una dispersione omogenea reciproca della fase acquosa e della fase oleosa.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Per produrre emulsioni di qualità superiore con una distribuzione delle dimensioni delle goccioline molto stretta, Hielscher ha sviluppato un inserto unico per celle di flusso – il MultiPhaseCavitator. Con questo speciale accessorio per celle di flusso, la seconda fase dell’emulsione viene iniettata continuamente nella zona di cavitazione attraverso 48 piccole cannule. Questa tecnologia consente di produrre in modo affidabile ed efficace goccioline nanometriche molto piccole ed emulsioni altamente stabili.

Hielscher Ultrasonics è specializzata nella fornitura di sistemi a ultrasuoni e accessori di qualità superiore per ottenere risultati di trattamento ottimali. La nostra lunga esperienza nei trattamenti a ultrasuoni e la stretta collaborazione con i nostri clienti garantiscono la riuscita dell’integrazione degli ultrasuoni nelle linee di produzione.
Per le prove iniziali, lo sviluppo e l’ottimizzazione dei processi, mettiamo a disposizione un laboratorio di processo e un centro tecnico completamente attrezzati.
Inoltre, offriamo consulenza approfondita, sviluppo di sistemi a ultrasuoni personalizzati e un servizio tecnico completo per l’installazione, la formazione e la manutenzione.