Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Produzione ad ultrasuoni di nanoemulsioni stabili

  • nanoemulsioni – noto anche come miniemulsioni o emulsioni submicroniche – sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni nella chimica, nelle vernici & rivestimenti, cosmetici, prodotti farmaceutici e alimentari.
  • I sistemi a ultrasuoni sono noti come strumenti affidabili per la produzione di nanoemulsioni stabili a lungo termine.

 

Formazione ad ultrasuoni di nanoemulsioni

L'emulsificazione ad ultrasuoni è causata dall'accoppiamento delle onde di potenza degli ultrasuoni in un sistema liquido. Sonicando un liquido, si verificano 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) si rompe e forma delle gocce nella fase continua (esterna). (2) l'applicazione di bassa frequenza, ultrasuoni ad alta 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 su diversi cicli d'onda fino a collassare violentemente. Questa implosione della bolla causa localmente condizioni estreme come un'elevata cesoiatura, getti di liquido e velocità estreme di riscaldamento e raffreddamento. (Suslick 1999). Queste forze estreme rompono le goccioline primarie della fase dispersa (interna) fino alla gocciolina nanosize e le mescolano in modo omogeneo nella fase continua (esterna).
Per saperne di più sulla cavitazione ultrasonica!

 

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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 ad ultrasuoni di Hielscher sono emulsionanti affidabili per la preparazione di nanoemulsioni a base di droga. Per l'emulsificazione ad ultrasuoni, Hielscher offre diversi accessori per ottimizzare il processo di emulsione. Hielscher's MultiPhaseCavitator è un componente aggiuntivo unico per le celle a flusso ultrasonico, dove la seconda fase viene iniettata come flusso molto stretto direttamente nell'ultrasuoni. “zona calda” di emulsificazione.

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).

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, il sintesi ultrasonica del lattice e il precipitazione ultrasonica!

1.5kW processore ad ultrasuoni per emulsificazione (Clicca per ingrandire!)

Emulsionante ad ultrasuoni UIP1500hdT (1500W)

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, chitosano, 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 stabili emulsioni submicroniche e nano-emulsioni richiede potenti apparecchiature a ultrasuoni. Le apparecchiature di emulsificazione ad ultrasuoni Hielscher offrono ampiezze molto elevate (fino a 200µm per Ultrasonicators industrialemaggiori ampiezze su richiesta) per generare un campo acustico intenso.
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.
Per produrre emulsioni di qualità superiore, i potenti processori ad ultrasuoni di Hielscher, in combinazione con i potenti processori ad ultrasuoni di Hielscher MultiPhaseCavitator ti dà l'hardware ottimale.

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 del processo e l'ottimizzazione del processo, offriamo una soluzione completa di laboratorio di processo e centro tecnico.
Inoltre, offriamo in profondità Consulenzalo sviluppo di sistemi ad ultrasuoni personalizzati e profondo servizio tecnico per l'installazione, la formazione e la manutenzione.

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Letteratura/riferimenti

  • Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkkumar, M.; Simons, L. (2008): L'uso degli ultrasuoni per la preparazione delle nanoemulsioni. Scienza alimentare innovativa & Tecnologie emergenti 9(2):170-175.
  • Suslick, K.S. (1999): Applicazione degli ultrasuoni alla chimica dei materiali. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.


Particolarità / Cose da sapere

Emulsioni

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