안정적인 나노에멀전의 초음파 제조
- 나노에멀전은 – 미니에멀전 또는 서브마이크론 에멀전으로도 알려져 있으며 – 화학, 페인트, 코팅, 화장품, 의약품 및 식품 분야의 다양한 응용에 사용됩니다.
- 초음파 처리기는 장기간 안정적인 나노에멀전을 제조하는 데 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술로 알려져 있습니다.
나노유화에 초음파를 사용하는 이유
초음파 나노유화는 저주파 고출력 초음파를 이용하여 일반적으로 10–200 nm 범위의 미세한 액적으로 이루어진 안정적이고 균일한 에멀전을 만드는 기술입니다. 이 기술은 기존 유화 방법에 비해 여러 가지 장점이 있어 다양한 응용에서 우수한 성능을 발휘합니다. 이러한 장점 중 일부는 다음과 같습니다:
- 균일한 입자 크기: 초음파 나노유화는 작고 균일한 액적을 생성하여 더 나은 안정성과 생체이용률을 제공합니다. 이러한 액적은 부피 대비 표면적 비율이 높아 다양한 응용에서 반응성과 효과가 더 높습니다.
- 높은 안정성: 초음파 나노에멀전은 작은 크기와 균일성 덕분에 동역학적 안정성이 높아 합일, 응집 및 침강에 대한 저항성이 있습니다. 이러한 안정성으로 인해 식품, 의약품, 화장품 및 화학 분야의 응용에 이상적입니다.
- 에너지 소비 감소: 초음파 나노유화는 균질화나 미세유동화와 같은 기존 유화 방법보다 적은 에너지 투입을 필요로 하므로 에너지 효율성과 비용 효율성이 더 높습니다.
- 다용도성: 초음파 나노유화는 지질, 친수성 화합물 및 수불용성 물질을 포함한 다양한 물질을 유화하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 다양한 응용에 사용할 수 있는 다용도 기술입니다.
빠른 처리 시간: 초음파 나노유화는 수분 내에 완료할 수 있는 빠른 공정으로, 대규모 생산에 적합합니다.
전반적으로 초음파 나노유화는 기존 유화 방법에 비해 여러 가지 장점을 제공하므로 다양한 응용에 우수한 기술입니다.
투명한 나노에멀전의 초음파 제조에 UP400ST 초음파 처리기를 사용합니다.
초음파를 이용한 나노에멀전 형성
초음파 유화는 고출력 초음파의 파동을 액체 시스템에 전달함으로써 일어납니다. 액체를 초음파로 처리하면 두 가지 메커니즘이 발생합니다:
- 음장은 액체를 통해 전파되는 파동을 생성하여 미세 난류와 계면 운동을 일으킵니다. 이로 인해 경계면이 불안정해져 결국 분산상(내부상)이 분열하고 연속상(외부상) 내에 액적을 형성합니다.
- 저주파 고출력 초음파를 적용하면 캐비테이션이 발생합니다 (Kentish et al. 2008). 초음파 캐비테이션에서는 초음파의 압력 주기로 인해 매질 내에 미세 기포 또는 공동이 형성됩니다. 미세 기포 / 공동은 여러 파동 주기에 걸쳐 성장하다가 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 기포의 내파는 국소적으로 매우 높은 전단, 액체 제트, 극단적인 가열 및 냉각 속도와 같은 극한 조건을 발생시킵니다. (Suslick 1999).
이러한 극한의 힘은 분산상(내부상)의 일차 액적을 나노 크기의 액적으로 분쇄하고 연속상(외부상)에 균일하게 혼합합니다.
초음파 캐비테이션이 유화에 미치는 영향에 대해 여기에서 자세히 알아보세요!
의약품용 나노에멀전
초음파로 제조한 지질 미니에멀젼은 의약품 제형에서 약리 작용 물질의 운반체로 널리 사용됩니다. 예를 들어, 미니에멀젼은 비경구 약물 운반체나 표적 조직으로 약물을 전달하는 장치로 작용할 수 있습니다. 미니에멀젼의 장점은 캡슐화된 활성 화합물의 높은 생체이용률뿐만 아니라 높은 생체적합성, 생분해성, 안정성, 대규모 생산의 용이성에 있습니다. 구조적 특성으로 인해 소수성 분자와 양친매성 분자를 모두 포함할 수 있습니다. 초음파로 제조한 나노에멀젼에는 토코페롤, 비타민, 커큐민 및 기타 여러 약리 작용 물질이 담지되어 왔습니다.
Hielscher의 초음파 시스템은 약물이 담지된 나노에멀젼을 제조하기 위한 신뢰할 수 있는 유화 장치입니다. Hielscher는 초음파 유화 공정을 최적화하기 위한 다양한 액세서리를 제공합니다. Hielscher의 MultiPhaseCavitator는 초음파 플로우 셀용 고유한 추가 장치로, 두 번째 상을 매우 가느다란 흐름으로 유화가 일어나는 초음파 핫스폿 영역에 직접 주입합니다.
초음파 장치 UP400ST를 이용한 생체이용률이 향상된 의약품용 나노현탁액의 제형화.
식품 등급 나노에멀젼
나노에멀젼은 식품 제형화에 다양한 이점을 제공합니다. 나노에멀젼은 중력 분리, 응집, 합일에 대한 안정성이 우수하며, 작은 액적 크기와 넓은 표면적 덕분에 기능성 성분의 방출 및/또는 흡수를 제어할 수 있습니다. 또한 활성 화합물의 생체이용률이 높아 영양소와 활성 물질을 전달하는 데 중요합니다. 아울러 투명하거나 육안으로 반투명하게 보이고, 서브마이크론 크기 또는 나노 크기의 액적이 매끄럽고 크림 같은 식감을 내므로 제형 특성이 우수합니다. 따라서 안정적인 나노에멀젼의 생산은 식품 산업 전반에서 요구되는 과제입니다. 예를 들어 비타민이나 지방산을 강화한 제품(예: 비타민 C, 비타민 E, 식물 종자 또는 어유에서 유래한 오메가-3, 오메가-6, 오메가-9)을 제형화하거나 향미를 첨가한 제품(예: 에센셜 오일을 첨가한 제품)을 생산하는 데 필요합니다.
초음파로 분산시킨 나노에멀젼(라벤더유 수중유형 에멀젼)의 나노 크기 액적 분포. 에멀젼은 초음파 프로브 UP400St를 사용하여 제조했습니다.
화장품용 나노에멀젼
특히 유중수형(W/O) 나노에멀젼은 생리활성 친수성 물질을 나노 크기 액적에 캡슐화하는 데 다양한 이점을 제공합니다(단일 또는 이중 에멀젼에서).
초음파를 이용한 계면활성제 무첨가 화장품 에멀젼 제형화에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
미니에멀젼 중합
초음파 보조 미니에멀젼 중합은 무기 입자의 캡슐화부터 라텍스 입자의 합성까지 다양한 공정에 적용됩니다. 중합, 합성 등의 화학 반응에 고출력 초음파를 적용하는 것을 초음파화학이라고 합니다.
다음에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요: 초음파화학, 라텍스의 초음파 합성 및 초음파 침전!
에멀젼 안정화
일부 나노에멀젼은 나노 크기의 액적과 그 분포 덕분에 계면활성제나 유화제를 전혀 사용하지 않고도 보관 중 안정성을 유지할 수 있지만, 다른 나노에멀젼은 장기 안정성과 최적의 제품 품질을 확보하기 위해 안정화제를 사용해야 합니다. 안정화는 계면활성제 또는 안정화제로 작용하는 고체 입자를 첨가하여 달성할 수 있습니다. 고체 입자로 안정화된 에멀젼을 피커링 에멀젼이라고 합니다. 유당, 알부민, 레시틴, 키토산, 사이클로덱스트린, 말토덱스트린, 전분 등을 피커링 에멀젼의 콜로이드 안정화제로 사용할 수 있습니다. 초음파로 생성한 피커링 에멀젼에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
초음파 유화는 모든 유형의 에멀전에 적용할 수 있습니다. 특정 에멀전에 안정화제가 필요한지는 소규모 시험으로 쉽게 확인할 수 있습니다.
구의 표면적 대 부피 비율(S/V)은 S/V = 3/R로 주어지므로, 액적 크기가 작아질수록 필요한 계면활성제의 양이 증가한다는 점에 유의하십시오. 예를 들어, 입자나 액적의 직경이 작을수록 부피에 대한 표면적의 비율이 커집니다.
초음파 유화 장비
안정적인 서브마이크론 및 나노에멀전을 생산하려면 강력한 초음파 장비가 필요합니다. Hielscher 초음파 유화 장비는 매우 높은 진폭(산업용 초음파 장치의 경우 최대 200µm, 요청 시 더 높은 진폭 제공)으로 강력한 음장을 생성합니다.
그러나 안정적인 나노에멀전을 생산하는 데는 고출력 초음파 장비만으로 충분하지 않은 경우가 많습니다. 나노 크기의 액적을 얻고 수상과 유상이 서로 균일하게 분산되도록 하려면 충분한 초음파 출력 외에도 공정 매개변수의 정밀한 제어와 정교한 부속 장치(소노트로드, 플로우 셀 반응기, 냉각 장치 등)가 필요합니다.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Hielscher는 액적 크기 분포가 매우 좁은 우수한 에멀전을 생산하기 위해 고유한 플로우 셀 인서트인 MultiPhaseCavitator를 개발했습니다. 이 특수 플로우 셀 부속 장치를 사용하면 에멀전의 두 번째 상이 48개의 작은 캐뉼라를 통해 캐비테이션 영역으로 연속 주입됩니다. 이 기술을 통해 매우 작은 나노 크기 액적과 안정성이 매우 높은 에멀전을 신뢰성 있고 효과적으로 생산할 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics는 최적의 처리 결과를 위한 우수한 초음파 시스템과 부속 장치 공급을 전문으로 합니다. 초음파 처리 분야에서 쌓아 온 오랜 경험과 고객과의 긴밀한 협력은 생산 라인에 초음파 기술을 성공적으로 도입할 수 있도록 보장합니다.
초기 시험, 공정 개발 및 공정 최적화를 위해 설비를 완비한 공정 실험실과 기술 센터를 제공합니다.
또한 심층적인 컨설팅, 맞춤형 초음파 시스템 개발, 설치·교육·유지보수를 위한 전문적인 기술 서비스를 제공합니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터로 연결된 UIP16000 |
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알아두면 좋은 정보
에멀전, 액적 크기 및 계면활성제
에멀전은 서로 섞이지 않는 두 액체로 정의됩니다. 한 액체 – 이른바 분산상 또는 내부상 – 가 연속상 또는 외부상이라고 하는 다른 액체 안에 구형 액적으로 분산됩니다. 에멀전 형성에 사용되는 가장 대표적인 액체는 기름과 물입니다. 유상이 물/수상에 분산되면 수중유형 에멀전이 되며, 물/수상이 유상에 분산되면 유중수형 에멀전이 됩니다. 에멀전은 입자 크기와 열역학적 안정성에 따라 각각 매크로에멀전, 마이크로에멀전 및 나노에멀전으로 구분됩니다.
나노에멀전
나노에멀전은 나노 크기의 액적으로 이루어진 나노입자 분산계입니다. 고출력 초음파의 높은 전단력은 액적을 파괴하여 직경을 서브마이크론 및 나노 크기로 줄입니다. 일반적으로 액적 크기가 작을수록 에멀전의 안정성이 높아집니다. 나노에멀전은 O/W(수중유형), W/O(유중수형) 또는 W/O/W 및 O/W/O와 같은 다중/이중 에멀전으로 구분할 수 있습니다. 나노에멀전은 점조도와 액적 크기에 따라 가시광선 영역에서 투명하거나 심지어 반투명하게 나타납니다. 나노에멀전은 일반적으로 액적 크기가 20에서 200nm 사이인 것으로 정의됩니다. 액적 크기가 작아질수록 에멀전의 합일 경향이 감소합니다(오스트발트 숙성 감소).
나노소재와 나노에멀전은 마이크로에멀전과 다른 물리적 특성을 보입니다. 나노 크기의 입자는 완전히 다른 특성을 보이거나 고유한 특성이 매우 극단적인 형태로 나타납니다. 나노에멀전의 액적은 가시광선 영역의 빛 파장과 상호작용하기에는 너무 작기 때문에 마이크론 크기 에멀전과 외관이 다릅니다. 따라서 나노에멀전은 빛 산란이 매우 적으며 투명하거나 광학적으로 반투명하게 보입니다.
에멀전의 액적 크기는 유상의 조성, 연속상과 분산상 모두의 계면 특성과 점도, 유화제/계면활성제의 종류, 유화 중 전단 속도, 물에 대한 유상의 용해도에 영향을 받습니다.
나노에멀전은 약물 전달, 식품 및 음료, 화장품, 의약품, 재료 과학 및 합성과 같은 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.
계면활성제
유화제는 안정적인 에멀전/나노에멀전을 제조하는 데 필수적인 요소입니다. 유화제는 액적 주위에 보호층을 형성하고 계면 장력을 낮추는 계면활성 물질로, 오스트발트 숙성, 합일 및 크리밍을 방지합니다.
계면활성제의 종류:
- 저분자 계면활성제: Tween 및 Span과 같은 비이온성 유화제는 경구, 비경구 및 피부 투여 시 독성과 자극성이 낮으므로 이온성 유화제보다 선호됩니다. Tween과 Span은 식품, 제약 및 화장품 산업의 에멀전 제형에 선호되는 안정화제입니다.
Tween류: Tween 20/60/80은 폴리소르베이트 20/60/80(PEG-20 탈수 소르비톨 모노라우레이트, PEG-20 탈수 소르비톨 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노올레에이트)으로 알려져 있습니다. 이들은 소르비톨에서 유래한 비이온성 계면활성제/유화제입니다. 물, 에탄올, 메탄올 또는 아세트산에틸에는 쉽게 용해되지만 광유에는 소량만 용해됩니다.
Span류: Span20/40/60/80은 소르비탄 지방산 에스테르/소르비탄 에스테르로, 유화, 분산 및 습윤 특성을 지닌 비이온성 계면활성제입니다. Span 계면활성제는 소르비톨을 탈수하여 생산합니다. - 인지질: 난황, 대두 또는 유제품 유래 레시틴
- 양친매성 단백질: 분리유청단백질, 카제인산염
- 양친매성 다당류: 아라비아검, 변성 전분
문헌 / 참고문헌
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Pratap-Singh, A.; Guo, Y.; Lara Ochoa, S.; Fathordoobady, F.; Singh, A. (2021): Optimal ultrasonication process time remains constant for a specific nanoemulsion size reduction system. Scientific Report 11; 2021.
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 9(2):170-175.
- Suslick, K.S. (1999): Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.