Produzione ad ultrasuoni di nanoemulsioni stabili

  • nanoemulsioni – noto 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 una 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 di ultrasuoni 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.
 

n questo video realizziamo una nano-emulsione di olio di canapa ricco di CBD in acqua utilizzando un ultrasuonatore Hielscher UP400St. Misuriamo poi la nano-emulsione utilizzando un DLS NANO-flex. I risultati della misurazione mostrano una distribuzione delle dimensioni delle particelle molto stretta e pesata in volume, compresa tra 9 e 40 nanometri. Il 95% di tutte le particelle è inferiore a 28 nanometri.

Nanoemulsione di CBD - Producete una nanoemulsione traslucida utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St!

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Preparazione a ultrasuoni di una nanoemulsione di CBD utilizzando la sonda a ultrasuoni UP400ST.

Preparazione a ultrasuoni di una nano-emulsione trasparente utilizzando l'ultrasuonatore UP400ST.

Formazione ad ultrasuoni 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 di lipidi – prodotto da ultrasuoni – sono ampiamente utilizzati come vettori per gli agenti farmacologici nelle formulazioni farmaceutiche. Ad esempio, le miniemulsioni possono fungere da vettori parenterali di droga o dispositivi per il rilascio di farmaci ai tessuti bersaglio. Oltre all'elevata biodisponibilità dei principi 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 idrofobiche che anfipatiche. Le nanoemulsioni preparate ad ultrasuoni sono state caricate con tocoferoli, vitamine, curcurmin 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 di emulsione a ultrasuoni.

La preparazione a ultrasuoni di nanosospensioni è una tecnica efficace per la produzione di formulazioni farmaceutiche con una maggiore biodisponibilità.

ultrasuonatore UP400St per la formulazione di nanosospensioni farmaceutiche con una maggiore biodisponibilità.

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Nano-emulsioni ad ultrasuoni: Questo video ha dimostrato la rapida produzione di una nano-emulsione di olio in acqua. L'UP200Ht omogeneizza l'olio e l'acqua in pochi secondi.

Emulsificazione ad ultrasuoni con UP200Ht con sonda S26d14

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Nanoemulsioni per uso alimentare

Le nanoemulsioni offrono vari vantaggi per la formulazione di prodotti alimentari. Le nanoemulsioni mostrano una buona stabilità alla separazione gravitazionale, flocculazione, coalescenza e offrono un rilascio e/o assorbimento controllato degli ingredienti funzionali grazie alle loro piccole dimensioni delle gocce e all'ampia superficie. Inoltre, offrono un'elevata biodisponibilità di principi attivi, importante per l'apporto di sostanze nutritive e principi attivi. Inoltre, offrono buone proprietà formulative in quanto sono trasparenti o visivamente traslucidi e le loro gocce submicrone/nano size causano una bocca liscia e cremosa. Pertanto, la produzione di nanemulsioni stabili è un compito onnipresente per l'industria alimentare, ad esempio per formulare prodotti fortificati 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).

Misura della distribuzione delle gocce di una nanoemulsione dispersa a ultrasuoni.

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

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

Miniemulsione Polimerizzazione

La polimerizzazione in miniemulsione ad 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 come la polimerizzazione, la sintesi, ecc. sono note come sono-chimica.
Clicca qui per saperne di più su Sonochimica, sintesi ultrasonica del lattice e precipitazione ultrasonica!

Stabilizzazione dell'emulsione

Sebbene alcune nanoemulsioni possano essere stabili sugli scaffali senza l'uso di tensioattivi o emulsionanti a causa della dimensione 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 realizzata aggiungendo tensioattivi (tensidi) o particelle solide che agiscono come stabilizzatori. Le emulsioni, che sono stabilizzate da particelle solide, sono note come emulsioni Pickering. Lattosio, albumina, lecitina, lecitina, chitosano, ciclodestrina, maltodestrina, amido, ecc. possono essere utilizzati come stabilizzanti colloidali nelle emulsioni Pickering. Clicca qui per saperne di più sulle emulsioni Pickering generate ad ultrasuoni!
L'emulsione ad ultrasuoni può essere eseguita per tutti i tipi di emulsioni. Se è richiesto un agente stabilizzante per una specifica emulsione, può essere facilmente testato su piccola scala.
Si prega di notare che la quantità di tensioattivo richiesto aumenta con la diminuzione delle dimensioni delle gocce, poiché il rapporto superficie-area a 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 gocciolina, maggiore è l'area superficiale che ha rispetto al suo volume.

Attrezzatura di emulsificazione ad 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 sole apparecchiature a ultrasuoni ad alta potenza spesso non sono sufficienti. Oltre ad una sufficiente potenza ultrasonica, un controllo preciso dei parametri di processo e accessori sofisticati (come sonotrodi, reattori a celle a flusso, raffreddamento) sono necessari per ottenere gocce di dimensioni ridotte e una dispersione omogenea di entrambi, fase acquosa e fase oleosa l'una nell'altra.
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 ad ultrasuoni e accessori di qualità superiore per risultati di lavorazione ottimali. La nostra lunga esperienza nella lavorazione ad ultrasuoni e la nostra stretta collaborazione con i nostri clienti garantisce il successo dell'implementazione degli ultrasuoni nelle linee di produzione.
Per i test iniziali, lo sviluppo e l'ottimizzazione dei processi, offriamo un laboratorio di processo 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.

Il video mostra l'emulsione altamente efficiente dell'olio. Il processore a ultrasuoni utilizzato è un ultrasuonatore Hielscher UP400St, ideale per preparare lotti di medie dimensioni di emulsioni di alta qualità.

Realizzazione di nanoemulsioni stabili con Hielscher Ultrasonics UP400St (400 Watt)

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batchPortataDispositivi raccomandati
0,5-1,5 mLn.a.VialTweeter
1 - 500mL10 - 200mL/minUP100H
10 - 2000mL20 - 400mL/minUP200Ht, UP400St
0,1 - 20L0,2 - 4L/minUIP2000hdT
10 - 100L2 - 10L/minUIP4000hdT
Da 15 a 150LDa 3 a 15L/minUIP6000hdT
n.a.10 - 100L/minUIP16000
n.a.più grandecluster di UIP16000

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Questo video mostra il processore ad ultrasuoni Hielscher UP400S che prepara un'emulsione di nano olio vegetale in acqua.

Emulsionamento dell'olio vegetale in acqua con l'UP400S

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Particolarità / Cose da sapere

Emulsioni, dimensioni delle gocce e tensioattivi

Le emulsioni sono definite come due liquidi immiscibili: Uno dei liquidi – la cosiddetta fase dispersa o interna – è disperso come goccioline sferiche all'interno dell'altro liquido, noto come fase continua o esterna. I liquidi più importanti utilizzati per formare un'emulsione sono l'olio e l'acqua. Quando la fase oleosa si disperde nella fase acqua/acqua, il sistema è un'emulsione olio-in-acqua, mentre quando la fase acqua/acqua si disperde nella fase oleosa, si tratta di un'emulsione acqua-in-olio. Le emulsioni si distinguono rispettivamente per la dimensione delle particelle e la stabilità termodinamica come macroemulsioni, microemulsioni e nanoemulsioni, rispettivamente.

nanoemulsioni

Le nanoemulsioni sono dispersioni nanoparticolate, che consistono in gocce di dimensioni ridotte. Le elevate forze di taglio degli ultrasuoni di potenza rompono le gocce in modo da ridurle a diametro submicron e nano. Generalmente, gocce di dimensioni più piccole portano ad una maggiore stabilità dell'emulsione. Le nanoemulsioni possono essere distinte come O/W (oil-in-water), W/O (water-in-oil) o come emulsioni multiple/doppie come W/O/W e O/W/O. Le nanoemulsioni sono trasparenti o addirittura traslucide (nello spettro visibile) a seconda della consistenza e delle dimensioni delle gocce. Le nanoemulsioni sono generalmente definite da una dimensione delle gocce tra 20 e 200 nm. Con una dimensione decrescente delle gocce, la propensione dell'emulsione per la coalescenza sta diminuendo (diminuzione della maturazione di Ostwald).
I nanomateriali e le nanoemulsioni sono caratterizzati da proprietà fisiche diverse dalle microemulsioni. Le particelle di dimensioni ridotte mostrano proprietà completamente diverse o le loro proprietà tipiche sono espresse in una forma molto estrema. L'aspetto visibile delle nanoemulsioni ha un aspetto diverso rispetto alle emulsioni di dimensioni micron, poiché le goccioline sono troppo piccole per interferire con le lunghezze d'onda ottiche dello spettro visibile. Pertanto le nanoemulsioni hanno una diffusione della luce molto ridotta e appaiono trasparenti o otticamente traslucide.
La dimensione delle gocce di un'emulsione è influenzata dalla composizione della fase oleosa, dalle proprietà interfacciali e dalla viscosità di entrambe, dalle fasi continua e dispersa, dal tipo emulsionante/ tensioattivo, dalla velocità di taglio durante l'emulsione, nonché dalla solubilità della fase oleosa in acqua.
Le nanoemulsioni sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni, come la somministrazione di farmaci, la somministrazione di alimenti & bevande, cosmetici, prodotti farmaceutici e scienza dei materiali & sintesi.

Tensioattivi

Gli emulsionanti sono un fattore essenziale per preparare un'emulsione/nanoemulsione stabile. Gli emulsionanti sono agenti tensioattivi che formano uno strato protettivo intorno alla goccia e riducono la tensione interfacciale, impedendo così la maturazione, la coalescenza e la scrematura di Ostwald.
Tipi di tensioattivi:

  • Piccole molecole di tensioattivi: Gli emulsionanti non ionici come Tween e Span mostrano una bassa tossicità e irritabilità se somministrati per via orale, parenterale e dermica e sono quindi preferiti agli emulsionanti ionici. Tween e Span sono gli stabilizzanti preferiti per le formulazioni di emulsioni nell'industria alimentare, farmaceutica e cosmectica.
    Tweens: I Tween 20/60/80 sono noti come polisorbato 20/60/80 (PEG-20 sorbierite monolaurato disidratato, PEG-20 sorbierite monostearato disidratato, poliossietilene sorbitano monooleato). Sono tensioattivi non ionici / emulsionanti derivati dal sorbitolo. Si sciolgono facilmente in acqua, etanolo, metanolo o acetato di etile, ma solo un po' in olio minerale.
    Campate: Gli Span20/40/40/60/60/80 sono esteri di sorbitano ed esteri di sorbitano, che sono tensioattivi non ionici con proprietà emulsionanti, disperdenti e bagnanti. I tensioattivi Span sono prodotti dalla disidratazione del sorbitolo.
  • Fosfolipidi: tuorlo d'uovo, soia o lecitina da latte
  • Proteine anfibiliche: Proteine del siero di latte isolato, caseinato
  • Polisaccaridi anfilici: gomma arabica, amidi modificati

Letteratura / Referenze


Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.


Saremo lieti di discutere il vostro processo.

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