Ultrasonic Production of Stable Nanoemulsions

  • Nanoemulsions – ミニエマルジョンまたはサブミクロンエマルジョンとも呼ばれます – 化学、塗料、コーティング、化粧品、医薬品、食品など幅広い用途で使用されています。
  • 超音波装置は、長期安定ナノエマルジ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る。

ナノ乳化のための超音波の理由

超音波ナノ乳化は、低周波、高出力の超音波を利用して、典型的には10〜200nmの範囲の小さな液滴の安定で均一なエマルジョンを生成する技術です。この技術は、従来の乳化方法に比べていくつかの利点があり、さまざまな用途で優れています。これらの利点のいくつかは次のとおりです。

  • 均一な粒子サイズ: 超音波ナノ乳化は、よりよい安定性およびバイオアベイラビリティを提供する、小さくて均一な液滴を生成する。これらの液滴は表面積と体積の比率が高いため、さまざまな用途でより反応性が高く効果的です。
  • 高い安定性: 超音波ナノエマルジョンは、それらの小さいサイズおよび均一性のために高い運動学的安定性を有し、それはそれらを合体、凝集、および沈降に対して耐性を生じさせる。この安定性により、食品、医薬品、化粧品、化学用途での使用に最適です。
  • エネルギー消費量の削減: 超音波ナノ乳化は、均質化やマイクロ流動化などの従来の乳化方法よりも低いエネルギー入力を必要とするため、エネルギー効率が高く、費用対効果が高くなります。
  • 万芸: 超音波ナノ乳化は、脂質、親水性化合物、および水不溶性物質を含む広範囲の材料を乳化するために使用することができる。これにより、さまざまな用途で使用できる汎用性の高い手法になります。
    高速処理時間: 超音波ナノ乳化は、数分で完了することができる高速プロセスであり、大規模生産に適している。

全体として、超音波ナノ乳化は、従来の乳化方法に比べていくつかの利点を提供し、さまざまな用途に優れた技術となっています。
 

このビデオでは、ヒールシャーUP400St超音波装置を使用して、水中のCBDが豊富なヘンプオイルのナノエマルジョンを作成します。次に、NANO-flex DLSを使用してナノエマルジョンを測定します。測定結果は、9〜40ナノメートルの範囲の非常に狭い体積計量粒子サイズ分布を示しています。全粒子の95%は28ナノメートル未満です。

CBDナノエマルジョン - UP400St超音波ホモジナイザーを使用して半透明のナノエマルジョンを生成します!

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UP400ST超音波プローブを用いたCBDナノエマルジョンの超音波調製。

透明ナノエマルジョンの超音波調製 UP400ST超音波装置を使用する。

ナノエマルジョンの超音波形成

超音波乳化は、パワー超音波の波を液体系に結合させることによって引き起こされます。液体を超音波処理することにより、2つのメカニズムが起こります。

  1. 音場は、液体を伝搬する波を生成し、微小乱流と界面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、分散(内部)相が最終的に連続(外部)相で破壊されて液滴を形成します。
  2. 低周波、高出力の超音波の適用によりキャビテーションが発生します (ケンティッシュら2008).超音波キャビテーションにより、超音波の圧力サイクルにより、媒体中にマイクロバブルまたはボイドが形成されます。マイクロバブル/ボイドは、激しく崩壊するまで、いくつかの波のサイクルにわたって成長します。この気泡の爆縮は、非常に高いせん断、液体ジェット、極端な加熱および冷却速度などの局所的な極端な条件を引き起こします。 (サスリック1999).

これらの極端な力は、分散(内部)相の一次液滴をナノサイズの液滴に分解し、それらを連続(外部)相に均一に混合します。
乳化に対する超音波キャビテーションの効果については、こちらをご覧ください。

医薬品ナノエマルジョン

脂質ミニエマルジョン – 超音波によって製造 – は、医薬品製剤の薬理学的薬剤の担体として広く適用されています。例えば、ミニエマルジョンは、非経口薬物担体または薬物送達装置として作用し、標的組織を標的とすることができる。カプセル化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て、ミニエマルジョンの利点は、それらの高い生体適合性、生分解性、安定性、および大規模生産の容易さにあります。それらの構造特性のために、それらは疎水性分子および両親媒性分子を組み込むことができる。超音波で調製されたナノエマルジョンには、トコフェロール、ビタミン、クルクルミンおよび他の多くの薬理学的物質が充填されている。
ヒールシャーの超音波システムは、薬物含浸ナノエマルジョンを調製するための信頼性の高い乳化剤です。超音波乳化のために、ヒールシャーは乳化プロセスを最適化するための様々なアクセサリーを提供しています。ヒールシャース多相キャビテーターは、超音波フローセル用のユニークなアドオンであり、第2相は非常に狭い流れとして乳化の超音波ホットスポットゾーンに直接注入されます。

Ultrasonic preparation of nanosuspensions is an efficacious technique for the production of pharmaceutical formulations with increased bioavailability.

超音波装置UP400ST バイオアベイラビリティを高めた医薬品ナノ懸濁液の製剤化に。

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Ultrasonic Nano-Emulsions: This video demonstrated the rapid production of a nano-emulsion of oil in water. The UP200Ht homogenizes the oil and water in seconds.

Ultrasonic Emulsifying with UP200Ht with S26d14 probe

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食品グレードのナノエマルジョン

ナノエマルジョンは、食品の配合に様々な利点を提供する。ナノエマルジョンは、重力分離、凝集、合体に対して良好な安定性を示し、液滴サイズが小さく、表面積が大きいため、機能性成分の放出および/または吸収が制御されている。さらに、栄養素や活性物質の送達に重要な活性化合物の高いバイオアベイラビリティを提供します。さらに、透明または視覚的に半透明であり、サブミクロン/ナノサイズの液滴が滑らかでクリーミーな口当たりを引き起こすため、優れた配合特性を提供します。それにより、安定なナノエマルジョンの製造は、例えば、ビタミンまたは脂肪酸強化製品(例えば、植物種子または魚油に由来するビタミンC、ビタミンEオメガ3、オメガ6、オメガ9)を配合したり、フレーバー製品(例えば、エッセンシャルオイルを含む)を製造するために、食品業界にとって遍在する作業である。

超音波分散ナノエマルジョンの液滴分布測定。

超音波分散ナノエマルジョン(ラベンダー水中油型エマルジョン)のナノサイズ液滴分布。エマルジョンを調製しました 超音波プローブUP400St付き。

化粧品ナノエマルジョン

特に油中水型(W / O)ナノエマルジョンは、生理活性親水性物質をナノスケールの液滴(シングルまたはダブルエマルジョン)にカプセル化するための様々な利点を提供する。
超音波による化粧品エマルジョンの界面活性剤フリー処方の詳細については、ここをクリックしてください!

ミニ乳化重合

超音波支援ミニ乳化重合は、様々なプロセスに適用されます – 無機粒子のカプセル化からラテックス粒子の合成まで。重合、合成などの化学反応へのパワー超音波の適用は、ソノケミストリーとして知られています。
詳細については、ここをクリックしてください ソノケミストリー, ラテックスの超音波合成 and ultrasonic precipitation!

エマルジョン安定化

一部のナノエマルジョンは、ナノスケールの液滴サイズおよび分布のために界面活性剤または乳化剤を使用せずに常温保存可能であるが、他のナノエマルジョンは、長期安定性および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。安定化は、安定剤として作用する界面活性剤(テンシッド)または固体粒子のいずれかを添加することによって達成することができる。固体粒子によって安定化されるエマルジョンは、ピカリングエマルジョンとして知られています。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、デンプンなどは、ピカリングエマルジョンのコロイド安定剤として使用できます。 超音波で生成されたピッカリングエマルジョンの詳細については、ここをクリックしてください!
超音波乳化は、すべてのタイプのエマルジョンに対して行うことができます。安定化剤が特定のエマルジョンに必要な場合、小規模で容易に試験できます。
球の表面積と体積の比率(S/V)はS/V = 3/Rで与えられるため、必要な界面活性剤の量は液滴サイズが小さくなると増加することに注意してください。たとえば、粒子または液滴の直径が小さいほど、その体積に対する表面積が大きくなります。

超音波乳化装置

安定したサブミクロンおよびナノエマルジョンの製造には、強力な超音波装置が必要です。ヒールシャー超音波乳化装置は、非常に高い振幅(工業用超音波装置の場合は最大200μm、要求に応じてより高い振幅)を提供して、強い音場を生成します。
しかしながら、安定なナノエマルジョンの製造のためには、パワー超音波装置だけでは十分でないことが多い。十分な超音波出力に加えて、プロセスパラメータの正確な制御、および洗練されたアクセサリ(ソノトロード、フローセル反応器、冷却など)は、ナノサイズの液滴および両者の均質な分散、水相および油相を互いに均一に分散させる必要がある。
ヒールシャー多相キャビテーター: 非常に狭い液滴分布を有する優れたエマルジョンを製造するために、ヒールシャーは独自のフローセルインサートを開発した – 多相キャビテーター。この特別なフローセルアドオンにより、エマルジョンの第2段階が48個の小さなカニューレを介してキャビテーションゾーン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非常に安定したエマルジョンを信頼性が高く効果的に製造できます。

ヒールシャー超音波は、最適な加工結果を得るために優れた超音波システムと付属品を供給することに特化しています。超音波処理における当社の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の実装が成功しています。
初期テスト、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テクニカルセンターを提供しています.
さらに、詳細なコンサルティング、カスタマイズされた超音波システムの開発、設置、トレーニング、メンテナンスのための深い技術サービスを提供しています。

このビデオは、オイルの高効率乳化を示しています。使用される超音波プロセッサは ヒールシャーUP400St超音波装置、これは高品質のエマルジョンの中型バッチを調製するのに理想的です。

ヒールシャー超音波UP400St(400ワット)で安定したナノエマルジョンを作る

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The table below gives you an indication of the approximate processing capacity of our ultrasonicators:

Batch VolumeFlow RateRecommended Devices
0.5 to 1.5mLn.a.Vialツイーター
1 to 500mL10 to 200mL/minUP100Hシリーズ
10 to 2000mL20 to 400mL/minUP200HT, UP400セント
0.1 to 20L0.2 to 4L/minUIP2000hdT
10 to 100L2 to 10L/minUIP4000hdt
15 to 150L3 to 15L/minUIP6000hdT
n.a.10 to 100L/minUIP16000
n.a.largercluster of UIP16000

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私たちの注意点 プライバシーポリシー.


This video demonstrates the Hielscher ultrasonic processor UP400S preparing a nano-sized vegetable oil-in-water emulsion.

Emulsifying of Vegetable Oil in Water using the UP400S

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Facts Worth Knowing

エマルジョン、液滴サイズ、界面活性剤

エマルジョンは、2つの非混和性の液体として定義されます。 – いわゆる分散相または内相 – は、連続相または外相として知られる他の液体内に球状の液滴として分散します。エマルジョンを形成するために使用される最も顕著な液体は油と水です。油相が水相/水相に分散している場合、システムは水中油型エマルジョンであり、水/水相が油相に分散している場合、それは油中水型エマルジョンです。エマルションは、それぞれマクロエマルジョン、マイクロエマルジョン、ナノエマルジョンとして、粒子サイズと熱力学的安定性が区別されます。

Nanoemulsions

ナノエマルジョンは、ナノサイズの液滴からなるナノ粒子分散液です。パワー超音波の高せん断力は液滴を破裂させ、サブミクロンおよびナノ直径に減少させる。一般に、液滴サイズが小さいほど、エマルジョンの安定性が高くなります。ナノエマルジョンは、O / W(水中油型)、W / O(油中水型)またはW / O / WおよびO / W / Oなどのマルチ/ダブルエマルジョンとして区別することができる。ナノエマルジョンは、一般に20〜200nmの液滴サイズによって定義される。液滴サイズが下降すると、エマルジョンの合体傾向は減少します(オストワルド熟成は減少します)。
ナノ材料およびナノエマルジョンは、マイクロエマルジョンとは異なる物理的性質によって特徴付けられる。ナノサイズの粒子は、まったく異なる特性を示すか、それらの典型的な特性が非常に極端な形で表現されます。ナノエマルジョンの可視外観は、液滴が可視スペクトルの光波長に干渉するには小さすぎるため、ミクロンサイズのエマルションとは異なる外観を有する。したがって、ナノエマルジョンは光散乱をほとんど示さず、透明または光学的に半透明に見える。
エマルジョンの液滴サイズは、油相の組成、両者の界面特性と粘度、連続相と分散相、乳化剤/界面活性剤の種類、乳化時のせん断速度、および油相の水への溶解度の影響を受けます。
ナノエマルジョンは、ドラッグデリバリー、食品などの多様な用途で広く使用されています & 飲料・化粧品・医薬・材料科学 & 合成。

界面活性剤

乳化剤は、安定したエマルジョン/ナノエマルジョンを調製するために不可欠な要素です。乳化剤は、液滴の周囲に保護層を形成し、界面張力を低下させる界面活性剤であり、それによってオストワルドの熟成、合体、およびクリーミングを防ぎます。
界面活性剤の種類:

  • 低分子界面活性剤:TweenやSpanなどの非イオン性乳化剤は、経口、非経口、経皮に投与すると毒性や刺激性が低いため、イオン性乳化剤よりも好まれます。TweenとSpanは、食品、医薬品、化粧品業界におけるエマルジョン製剤に適した安定剤です。
    トゥイーン: Tween 20/60/80は、ポリソルベート20/60/80(PEG-20脱水ソルビエライトモノラウレート、PEG-20脱水ソルビエライトモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート)として知られています。それらはソルビトールに由来する非イオン性界面活性剤/乳化剤です。それらは水、エタノール、メタノールまたは酢酸エチルに容易に溶解するが、鉱油にはほんの少ししか溶解しない。
    またがる: Span20/40/60/80はソルビタン脂肪酸エステル/ソルビタンエステルで、乳化、分散、湿潤性を有する非イオン性界面活性剤です。スパン界面活性剤は、ソルビトールの脱水によって生成されます。
  • リン脂質:卵黄、大豆または乳製品レシチン
  • 両親媒性タンパク質:ホエイプロテイン分離物、カゼイネート
  • 両親媒性多糖類:アラビアガム、加工デンプン

Literature / References


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics manufactures high-performance ultrasonic homogenizers from ラボ to industrial size.


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