• 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.
 

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.

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).

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.