Produzione a ultrasuoni di nanoemulsioni stabili

• nanoemulsioni – note anche come miniemulsioni o emulsioni submicroniche – sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni in chimica, vernici, rivestimenti, cosmetici, prodotti farmaceutici e alimentari.
• Gli ultrasonici sono noti come tecnica altamente efficiente e affidabile per la produzione di nanoemulsioni stabili a lungo termine.

Perché gli ultrasuoni per la nanoemulsificazione?

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

• Dimensione uniforme delle particelle: La nanoemulsificazione a ultrasuoni produce gocce piccole e uniformi, che offrono una migliore stabilità e biodisponibilità. Queste goccioline hanno un elevato rapporto superficie/volume, che le rende più reattive ed efficaci in varie applicazioni.
• Elevata stabilità: Le nanoemulsioni a ultrasuoni hanno un'elevata stabilità cinetica dovuta alle loro piccole dimensioni e all'uniformità, che le rende resistenti alla coalescenza, alla flocculazione e alla sedimentazione. Questa stabilità le rende ideali per l'uso in applicazioni alimentari, farmaceutiche, cosmetiche e chimiche.
• Riduzione del consumo energetico: La nanoemulsificazione a ultrasuoni richiede un apporto energetico inferiore rispetto ai metodi di emulsificazione tradizionali, come l'omogeneizzazione o la microfluidizzazione, rendendola 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. Ciò la rende una tecnica versatile che può essere utilizzata in diverse applicazioni.
  Tempi di elaborazione rapidi: La nanoemulsificazione a ultrasuoni è un processo rapido che può essere completato in pochi minuti, rendendolo adatto alla produzione su larga scala.

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

Formazione ultrasonica di nanoemulsioni

L'emulsificazione a ultrasuoni si ottiene accoppiando le onde degli ultrasuoni di potenza a un sistema liquido. La sonicazione di un liquido provoca due meccanismi:

1. Il campo acustico genera onde che attraversano il liquido e causano microturbolenze e un movimento interfacciale. In questo modo, la fase limite diventa instabile, cosicché la fase dispersa (interna) alla fine si rompe e forma goccioline nella fase continua (esterna).
2. L'applicazione di ultrasuoni a bassa frequenza ed elevata potenza genera cavitazione (Kentish et al. 2008). Con la cavitazione ultrasonica, si formano microbolle o vuoti nel mezzo a causa dei cicli di pressione dell'onda ultrasonica. Le microbolle/vuoti crescono per diversi cicli d'onda fino a collassare violentemente. L'implosione delle bolle provoca condizioni localmente estreme, come un taglio molto elevato, getti di liquido e tassi di riscaldamento e raffreddamento estremi. (Suslick 1999).

Queste forze estreme rompono le gocce primarie della fase dispersa (interna) fino a ridurle a gocce di dimensioni nanometriche e le mescolano in modo omogeneo alla fase continua (esterna).
Per saperne di più sugli effetti della cavitazione a ultrasuoni sull'emulsionamento, leggete qui!

Nanoemulsioni farmaceutiche

Miniemulsioni lipidiche – prodotto dagli ultrasuoni – sono ampiamente applicate come vettore di agenti farmacologici nelle formulazioni farmaceutiche. Ad esempio, le miniemulsioni possono fungere da vettore parenterale di farmaci o da dispositivo 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 molecole idrofobe e anfipatiche. Le nanoemulsioni preparate a ultrasuoni sono state caricate con tocoferoli, vitamine, curcurmina e molte altre sostanze farmacologiche.
I sistemi a ultrasuoni di Hielscher sono emulsionatori affidabili per la preparazione di nanoemulsioni a base di farmaci. Per l'emulsionamento a ultrasuoni, Hielscher offre diversi accessori per ottimizzare il processo di emulsione. Il MultiPhaseCavitator di Hielscher è un componente aggiuntivo unico per le celle di flusso a ultrasuoni, in cui la seconda fase viene iniettata come flusso molto stretto direttamente nella zona del punto caldo dell'emulsione a ultrasuoni.

Nanoemulsioni per uso alimentare

Le nanoemulsioni offrono diversi vantaggi per la formulazione di prodotti alimentari. Le nanoemulsioni mostrano una buona stabilità alla separazione gravitazionale, alla flocculazione e alla coalescenza e offrono un rilascio controllato e/o l'assorbimento di ingredienti funzionali grazie alle piccole dimensioni delle gocce e all'ampia area superficiale. Inoltre, offrono un'elevata biodisponibilità dei composti attivi, importante per la somministrazione di nutrienti e sostanze attive. Inoltre, offrono buone proprietà formulative in quanto sono trasparenti o visivamente traslucidi e le loro gocce di dimensioni submicroniche/nano provocano una sensazione di morbidezza e cremosità in bocca. La produzione di nano-emulsioni stabili è quindi un compito onnipresente per l'industria alimentare, ad esempio per formulare prodotti arricchiti di vitamine o acidi grassi (ad esempio vitamina C, vitamina E omega-3, omega-6, omega-9 derivati da semi di piante o olio di pesce) o per produrre prodotti aromatizzati (ad esempio con oli essenziali).

Distribuzione di gocce nanometriche di una nanoemulsione dispersa a ultrasuoni (emulsione olio-acqua di lavanda). L'emulsione è stata preparata con la sonda a ultrasuoni UP400St.

Nanoemulsioni cosmetiche

Soprattutto le nanoemulsioni acqua-olio (W/O) offrono diversi vantaggi per l'incapsulamento di sostanze idrofile bioattive in gocce su scala nanometrica (in emulsioni singole o doppie).
Cliccate qui per saperne di più sulla formulazione senza tensioattivi di emulsioni cosmetiche con gli ultrasuoni!

polimerizzazione in miniemulsione

La polimerizzazione in miniemulsione assistita da ultrasuoni viene applicata a diversi processi – dall'incapsulamento di particelle inorganiche alla sintesi di particelle di lattice. L'applicazione degli ultrasuoni di potenza a reazioni chimiche come la polimerizzazione, la sintesi, ecc. è nota come sicochimica.
Clicca qui per saperne di più sicochimica, sintesi ad ultrasuoni di lattice e precipitazione a ultrasuoni!

stabilizzazione dell'emulsione

Sebbene alcune nanoemulsioni possano essere stabili a scaffale senza l'uso di tensioattivi o emulsionanti a causa delle dimensioni e della distribuzione delle gocce in scala nanometrica, 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 (tensioattivi) o particelle solide che agiscono come stabilizzatori. Le emulsioni stabilizzate da particelle solide sono note come emulsioni Pickering. Lattosio, albumina, lecitina, chitosano, ciclodestrina, maltodestrina, amido ecc. possono essere utilizzati come stabilizzatori colloidali nelle emulsioni Pickering. Cliccate qui per saperne di più sulle emulsioni Pickering generate ad ultrasuoni!
L'emulsificazione a ultrasuoni può essere eseguita per tutti i tipi di emulsioni. Se è necessario un agente stabilizzante per un'emulsione specifica, può essere facilmente testato su piccola scala.
Si noti che la quantità di tensioattivo necessaria aumenta al diminuire delle dimensioni delle gocce, poiché il rapporto superficie/volume (S/V) per le sfere è dato da: S/V = 3/R. Ad esempio, più piccolo è il diametro di una particella o di una goccia, maggiore è l'area superficiale rispetto al suo volume.

Apparecchiatura di emulsionatura a ultrasuoni

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

Hielscher Ultrasonics è specializzata nella fornitura di sistemi e accessori a ultrasuoni di qualità superiore per ottenere risultati di lavorazione ottimali. La nostra lunga esperienza nella lavorazione a ultrasuoni e la stretta collaborazione con i nostri clienti garantiscono il successo dell'implementazione degli ultrasuoni nelle linee di produzione.
Per i test iniziali, lo sviluppo e l'ottimizzazione dei processi, offriamo un laboratorio e un centro tecnico completamente attrezzati..
Inoltre, offriamo una consulenza approfondita, lo sviluppo di sistemi a ultrasuoni personalizzati e un'assistenza tecnica approfondita per l'installazione, la formazione e la manutenzione.