安定したナノエマルションの超音波製造

• ナノエマルション – ミニエマルションまたはサブミクロンエマルションとも呼ばれます – は、化学、塗料、コーティング、化粧品、医薬品、食品の幅広い用途で使用されています。
• 超音波装置は、長期にわたり安定したナノエマルションを製造するための、非常に効率的で信頼性の高い技術として知られています。

ナノ乳化に超音波を使用する理由

超音波ナノ乳化は、低周波・高出力の超音波を利用して、通常10–200 nmの範囲にある微小な液滴からなる、安定した均一なエマルションを生成する技術です。この技術には従来の乳化方法と比べていくつかの利点があり、さまざまな用途で優れた技術となっています。その利点の一部を以下に示します。

• 均一な粒径： 超音波ナノ乳化によって生成される小さく均一な液滴は、より優れた安定性とバイオアベイラビリティをもたらします。これらの液滴は体積に対する表面積の比が高く、さまざまな用途で反応性と有効性が高まります。
• 高い安定性： 超音波ナノエマルションは、液滴が小さく均一であるため動力学的安定性が高く、合一、凝集、沈降が起こりにくくなります。この安定性により、食品、医薬品、化粧品、化学分野での使用に最適です。
• エネルギー消費の低減： 超音波ナノ乳化は、ホモジナイゼーションやマイクロフルイダイゼーションなどの従来の乳化方法よりも必要なエネルギー投入量が少なく、エネルギー効率と費用対効果に優れています。
• 汎用性： 超音波ナノ乳化は、脂質、親水性化合物、水不溶性物質など、幅広い材料の乳化に使用できます。そのため、さまざまな用途に利用できる汎用性の高い技術です。
  短い処理時間： 超音波ナノ乳化は数分で完了できる迅速なプロセスであり、大規模生産に適しています。

総じて、超音波ナノ乳化は従来の乳化方法と比べていくつかの利点があり、さまざまな用途に優れた技術です。
 

超音波によるナノエマルションの形成

超音波乳化は、液体系に高出力超音波の波動を結合させることによって生じます。液体を超音波処理すると、二つの機構が働きます。

1. 音場が生成する波は液体中を伝わり、微小な乱流と界面の運動を引き起こします。これにより境界相が不安定になり、最終的に分散相（内相）が分裂して、連続相（外相）内に液滴を形成します。
2. 低周波・高出力の超音波を適用すると、キャビテーションが発生します (Kentish et al. 2008)。超音波キャビテーションでは、超音波の圧力周期によって媒体中に微小気泡または空洞が形成されます。微小気泡／空洞は複数の波動周期にわたって成長した後、激しく崩壊します。この気泡の爆縮により、非常に高いせん断、液体ジェット、極めて高い加熱速度と冷却速度など、局所的に極端な条件が生じます。 (Suslick 1999).

これらの極端な力によって、分散相（内相）の一次液滴がナノサイズの液滴にまで細分化され、連続相（外相）内に均一に混合されます。
超音波キャビテーションが乳化に及ぼす効果について、詳しくはこちらをご覧ください！

医薬品用ナノエマルション

超音波によって製造される脂質ミニエマルションは、医薬品製剤における薬理作用物質の担体として広く使用されています。例えば、ミニエマルションは、非経口投与用の薬物担体や、標的組織への薬物送達手段として機能します。ミニエマルションの利点には、封入された活性化合物の高いバイオアベイラビリティに加え、高い生体適合性、生分解性、安定性、大規模生産の容易さがあります。その構造特性により、疎水性分子と両親媒性分子の両方を取り込むことができます。超音波で調製されたナノエマルションには、トコフェロール、ビタミン、クルクミン、その他多くの薬理作用物質が担持されています。
Hielscherの超音波システムは、薬物を担持したナノエマルションを調製するための信頼性の高い乳化装置です。Hielscherは、超音波乳化のプロセスを最適化するさまざまなアクセサリーを提供しています。HielscherのMultiphaseCavitatorは、超音波フローセル用の独自の追加装置であり、第二相を非常に細い流れとして、乳化が起こる超音波ホットスポット領域に直接注入します。

食品グレードのナノエマルション

ナノエマルションは、食品の配合にさまざまな利点をもたらします。ナノエマルションは重力分離、凝集、合一に対して良好な安定性を示し、液滴が小さく表面積が大きいため、機能性成分の放出および／または吸収を制御できます。また、活性化合物の高いバイオアベイラビリティをもたらし、これは栄養素や活性物質の送達にとって重要です。さらに、透明または見た目が半透明であり、サブミクロン／ナノサイズの液滴によって滑らかでクリーミーな口当たりが得られるため、良好な配合特性を備えています。そのため、安定したナノエマルションの製造は食品産業全般にわたる課題となっています。例えば、ビタミンや脂肪酸を強化した製品（ビタミンC、ビタミンE、植物種子または魚油由来のオメガ3、オメガ6、オメガ9など）の配合や、風味を付けた製品（精油を用いたものなど）の製造が挙げられます。

超音波で分散させたナノエマルション（水中油型ラベンダー油エマルション）のナノサイズ液滴の分布。このエマルションは、 超音波プローブUP400Stを用いて調製しました。

化粧品用ナノエマルション

特に油中水型（W/O）ナノエマルションは、生理活性を持つ親水性物質をナノスケールの液滴内に封入する際に、さまざまな利点をもたらします（単一エマルションまたは二重エマルションにおいて）。
超音波による界面活性剤を使用しない化粧品エマルションの配合について、詳しくはこちらをご覧ください！

ミニエマルション重合

超音波支援ミニエマルション重合は、無機粒子の封入からラテックス粒子の合成まで、さまざまなプロセスに適用されています。重合や合成などの化学反応に高出力超音波を適用する技術は、ソノケミストリーとして知られています。
詳細はこちらをご覧ください： ソノケミストリー, 超音波によるラテックスの合成 および 超音波による沈殿!

エマルションの安定化

ナノスケールの液滴サイズとその分布により、界面活性剤や乳化剤を一切使用しなくても保存中の安定性を維持できるナノエマルションがある一方、長期安定性と最適な製品品質を得るために安定化剤の使用を必要とするナノエマルションもあります。安定化は、界面活性剤または安定化剤として働く固体粒子を添加することで実現できます。固体粒子によって安定化されたエマルションは、ピッカリングエマルションと呼ばれます。ラクトース、アルブミン、レシチン、キトサン、シクロデキストリン、マルトデキストリン、デンプンなどを、ピッカリングエマルションのコロイド安定化剤として使用できます。 超音波で生成するピッカリングエマルションについて、詳しくはこちらをご覧ください！
超音波乳化は、あらゆる種類のエマルションに適用できます。特定のエマルションに安定化剤が必要かどうかは、小規模な試験で容易に確認できます。
球の体積に対する表面積の比（S/V）はS/V = 3/Rで表されるため、液滴サイズが小さくなるにつれて必要な界面活性剤の量が増えることにご注意ください。例えば、粒子や液滴の直径が小さいほど、体積に対する表面積の割合が大きくなります。

超音波乳化装置

安定したサブミクロンエマルションおよびナノエマルションの製造には、強力な超音波装置が必要です。Hielscherの超音波乳化装置は、強力な音場を生成するため、非常に高い振幅を実現します（産業用超音波装置では最大200µm、さらに高い振幅にもご要望に応じて対応）。
ただし、安定したナノエマルションの製造には、高出力超音波装置だけでは不十分なことが多くあります。ナノサイズの液滴を得て、水相と油相を互いに均一に分散させるには、十分な超音波出力に加え、プロセスパラメーターの精密な制御と、高度なアクセサリー（ソノトロード、フローセル反応器、冷却装置など）が必要です。
Hielscher MultiphaseCavitator： 液滴の分布が非常に狭い優れたエマルションを製造するため、Hielscherは独自のフローセルインサート、MultiphaseCavitatorを開発しました。この特殊なフローセル用追加装置では、エマルションの第二相が48本の細いカニューレを介してキャビテーション領域に連続的に注入されます。この技術により、非常に小さなナノサイズの液滴と安定性の高いエマルションを、確実かつ効果的に製造できます。

Hielscher Ultrasonicsは、最適な処理結果を得るための優れた超音波システムとアクセサリーの提供を専門としています。超音波処理における長年の経験とお客様との緊密な協力により、生産ラインへの超音波技術の導入を成功に導きます。
初期試験、プロセス開発、プロセス最適化のために、設備の整ったプロセスラボと技術センターをご用意しています。
さらに、詳細なコンサルティング、カスタマイズした超音波システムの開発、設置、トレーニング、保守のための専門的な技術サービスを提供しています。