Stabilu nanoemulsiju iegūšana ar ultraskaņu

• Nanoemulsijas – pazīstamas arī kā miniemulsijas vai submikronu emulsijas – plaši izmanto ķīmijā, krāsās, pārklājumos, kosmētikā, farmācijā un pārtikā.
• Ultraskaņas ierīču izmantošana ir pazīstama kā ļoti efektīva un uzticama metode ilgstoši stabilu nanoemulsiju iegūšanai.

Kāpēc nanoemulģēšanai izmantot ultraskaņu

Ultraskaņas nanoemulģēšana ir metode, kurā izmanto zemas frekvences, lielas jaudas ultraskaņas viļņus, lai izveidotu stabilas un viendabīgas emulsijas ar sīkiem pilieniem, kuru izmērs parasti ir 10–200 nm diapazonā. Šai metodei ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām emulģēšanas metodēm, tādēļ tā ir pārāka dažādos lietojumos. Dažas no šīm priekšrocībām ir:

• Vienmērīgs daļiņu izmērs: Ultraskaņas nanoemulģēšana rada mazus, vienāda izmēra pilienus, kas nodrošina labāku stabilitāti un biopieejamību. Šiem pilieniem ir liela virsmas laukuma un tilpuma attiecība, tādēļ tie ir reaģētspējīgāki un efektīvāki dažādos lietojumos.
• Augsta stabilitāte: Ar ultraskaņu iegūtām nanoemulsijām ir augsta kinētiskā stabilitāte to mazā un vienmērīgā pilienu izmēra dēļ, kas padara tās izturīgas pret koalescenci, flokulāciju un sedimentāciju. Šī stabilitāte padara tās ideāli piemērotas izmantošanai pārtikā, farmācijā, kosmētikā un ķīmijā.
• Samazināts enerģijas patēriņš: Ultraskaņas nanoemulģēšanai nepieciešams mazāks enerģijas ieguldījums nekā tradicionālajām emulģēšanas metodēm, piemēram, homogenizācijai vai mikrofluidizācijai, tādēļ tā ir energoefektīvāka un ekonomiski izdevīgāka.
• Daudzpusība: Ultraskaņas nanoemulģēšanu var izmantot dažādu materiālu, tostarp lipīdu, hidrofilu savienojumu un ūdenī nešķīstošu vielu, emulģēšanai. Tādēļ tā ir daudzpusīga metode, ko var izmantot dažādos lietojumos.
  Īss apstrādes laiks: Ultraskaņas nanoemulģēšana ir ātrs process, ko var pabeigt dažu minūšu laikā, tādēļ tas ir piemērots liela mēroga ražošanai.

Kopumā ultraskaņas nanoemulģēšana piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām emulģēšanas metodēm, tādēļ tā ir pārāka metode dažādiem lietojumiem.
 

Nanoemulsiju veidošana ar ultraskaņu

Ultraskaņas emulģēšanu izraisa lielas jaudas ultraskaņas viļņu ievadīšana šķidrā sistēmā. Apstrādājot šķidrumu ar ultraskaņu, darbojas divi mehānismi:

1. Akustiskais lauks rada viļņus, kas izplatās šķidrumā un izraisa mikroturbulenci un kustību fāžu saskarnē. Tādējādi fāžu robeža kļūst nestabila, un izkliedētā (iekšējā) fāze galu galā sadalās un veido pilienus nepārtrauktajā (ārējā) fāzē.
2. Zemas frekvences, lielas jaudas ultraskaņas izmantošana izraisa kavitāciju (Kentish et al. 2008). Ultraskaņas kavitācijas rezultātā ultraskaņas viļņa spiediena ciklu ietekmē vidē veidojas mikroburbulīši vai dobumi. Mikroburbulīši / dobumi aug vairāku viļņa ciklu laikā, līdz tie strauji sabrūk. Šī burbulīšu implozija lokāli rada ekstremālus apstākļus, piemēram, ļoti intensīvu bīdi, šķidruma strūklas un ārkārtīgi lielu uzsilšanas un atdzišanas ātrumu. (Suslick 1999).

Šie ārkārtīgi lielie spēki sašķeļ izkliedētās (iekšējās) fāzes sākotnējos pilienus nanometru izmēra pilienos un vienmērīgi iemaisa tos nepārtrauktajā (ārējā) fāzē.
Lasiet šeit vairāk par ultraskaņas kavitācijas ietekmi uz emulģēšanu!

Farmaceitiskās nanoemulsijas

Lipīdu miniemulsijas – iegūtas ar ultraskaņu – plaši izmanto kā farmakoloģisko vielu nesējus farmaceitiskajos preparātos. Piemēram, miniemulsijas var kalpot par parenterāli ievadāmu zāļu nesējiem vai ierīcēm zāļu piegādei mērķaudiem. Papildus iekapsulēto aktīvo savienojumu augstajai biopieejamībai miniemulsiju priekšrocības ir augsta biosaderība, bionoārdāmība, stabilitāte un vienkārša ražošana lielā mērogā. To strukturālās īpašības ļauj tajās iekļaut gan hidrofobas, gan amfipātiskas molekulas. Ar ultraskaņu sagatavotās nanoemulsijās ir iekļauti tokoferoli, vitamīni, kurkumīns un daudzas citas farmakoloģiskas vielas.
Hielscher ultraskaņas sistēmas ir uzticami emulgatori zāles saturošu nanoemulsiju sagatavošanai. Emulģēšanai ar ultraskaņu Hielscher piedāvā dažādus piederumus emulģēšanas procesa optimizēšanai. Hielscher MultiPhaseCavitator ir unikāls ultraskaņas plūsmas šūnu papildaprīkojums, ar kuru otro fāzi ļoti šaurā plūsmā ievada tieši ultraskaņas emulģēšanas aktīvākajā zonā.

Pārtikai piemērotas nanoemulsijas

Nanoemulsijas piedāvā dažādas priekšrocības pārtikas produktu izstrādē. Nanoemulsijas ir labi izturīgas pret gravitācijas izraisītu atdalīšanos, flokulāciju un koalescenci, un, pateicoties nelielajam pilienu izmēram un lielajam virsmas laukumam, tās nodrošina funkcionālo sastāvdaļu kontrolētu izdalīšanos un/vai uzsūkšanos. Turklāt tās nodrošina aktīvo savienojumu augstu biopieejamību, kas ir svarīga uzturvielu un aktīvo vielu piegādei. Tām ir arī labas īpašības produktu izstrādei, jo tās ir caurspīdīgas vai vizuāli puscaurspīdīgas un to submikronu izmēra / nanoizmēra pilieni rada maigu un krēmīgu sajūtu mutē. Tādēļ stabilu nanoemulsiju ražošana ir visā pārtikas rūpniecībā izplatīts uzdevums, piemēram, lai izstrādātu ar vitamīniem vai taukskābēm bagātinātus produktus (piemēram, C vitamīnu, E vitamīnu, omega-3, omega-6, omega-9, kas iegūti no augu sēklu vai zivju eļļas) vai ražotu aromatizētus produktus (piemēram, ar ēteriskajām eļļām).

Ar ultraskaņu disperģētas nanoemulsijas (lavandas eļļas emulsijas ūdenī) nanoizmēra pilienu sadalījums. Emulsija tika sagatavota ar ultraskaņas zondi UP400St.

Kosmētiskās nanoemulsijas

Īpaši ūdens eļļā (W/O) nanoemulsijas piedāvā dažādas priekšrocības bioaktīvas hidrofilas vielas iekapsulēšanai nanomēroga pilienos (vienkāršās vai dubultās emulsijās).
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par kosmētisko emulsiju izstrādi bez virsmaktīvajām vielām, izmantojot ultraskaņu!

Polimerizācija miniemulsijā

Ar ultraskaņu veicinātu polimerizāciju miniemulsijā izmanto dažādos procesos – no neorganisku daļiņu iekapsulēšanas līdz lateksa daļiņu sintēzei. Lieljaudas ultraskaņas izmantošanu ķīmiskās reakcijās, piemēram, polimerizācijā, sintēzē u. c., sauc par sonoķīmiju.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par sonoķīmiju, lateksa sintēzi ar ultraskaņu un izgulsnēšanu ar ultraskaņu!

Emulsiju stabilizēšana

Lai gan dažas nanoemulsijas pilienu nanomēroga izmēra un sadalījuma dēļ var būt stabilas uzglabāšanas laikā bez jebkādu virsmaktīvo vielu vai emulgatoru izmantošanas, citām nanoemulsijām ir nepieciešami stabilizatori, lai panāktu ilgtermiņa stabilitāti un optimālu produkta kvalitāti. Stabilizēšanu var veikt, pievienojot vai nu virsmaktīvās vielas (tenzīdus), vai cietas daļiņas, kas darbojas kā stabilizatori. Emulsijas, kas stabilizētas ar cietām daļiņām, sauc par Pikeringa emulsijām. Laktozi, albumīnu, lecitīnu, hitozānu, ciklodekstrīnu, maltodekstrīnu, cieti u. c. var izmantot kā koloidālos stabilizatorus Pikeringa emulsijās. Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par Pikeringa emulsijām, kas iegūtas ar ultraskaņu!
Emulģēšanu ar ultraskaņu var veikt visu veidu emulsijām. Nelielā mērogā var viegli pārbaudīt, vai konkrētai emulsijai ir nepieciešams stabilizators.
Ņemiet vērā, ka nepieciešamās virsmaktīvās vielas daudzums palielinās, samazinoties pilienu izmēram, jo sfēru virsmas laukuma un tilpuma attiecību (S/V) izsaka šādi: S/V = 3/R. Piemēram, jo mazāks ir daļiņas vai piliena diametrs, jo lielāks ir tā virsmas laukums attiecībā pret tilpumu.

Ultraskaņas emulģēšanas iekārtas

Stabilu submikronu emulsiju un nanoemulsiju ražošanai ir nepieciešamas jaudīgas ultraskaņas iekārtas. Hielscher ultraskaņas emulģēšanas iekārtas nodrošina ļoti lielas amplitūdas (līdz 200µm rūpnieciskajām ultraskaņas ierīcēm, lielākas amplitūdas pēc pieprasījuma), lai radītu intensīvu akustisko lauku.
Tomēr stabilu nanoemulsiju ražošanai bieži vien nepietiek tikai ar jaudīgas ultraskaņas iekārtām. Papildus pietiekamai ultraskaņas jaudai ir nepieciešama precīza procesa parametru kontrole un tehnoloģiski pilnveidoti piederumi (piemēram, sonotrodes, plūsmas šūnu reaktori, dzesēšana), lai iegūtu nanometru izmēra pilienus un ūdens un eļļas fāzes viendabīgu dispersiju vienai otrā.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Lai ražotu augstākas kvalitātes emulsijas ar ļoti šauru pilienu izmēru sadalījumu, Hielscher ir izstrādājis unikālu plūsmas šūnas ieliktni – MultiPhaseCavitator. Izmantojot šo īpašo plūsmas šūnas papildierīci, emulsijas otrā fāze caur 48 mazām kanilēm tiek nepārtraukti ievadīta kavitācijas zonā. Šī tehnoloģija ļauj uzticami un efektīvi ražot ļoti mazus nanometru izmēra pilienus un ļoti stabilas emulsijas.

Hielscher Ultrasonics specializējas augstākas kvalitātes ultraskaņas sistēmu un piederumu piegādē optimālu apstrādes rezultātu sasniegšanai. Mūsu ilggadējā pieredze apstrādē ar ultraskaņu un ciešā sadarbība ar klientiem nodrošina veiksmīgu ultraskaņas tehnoloģijas ieviešanu ražošanas līnijās.
Sākotnējiem izmēģinājumiem, procesa izstrādei un optimizācijai mēs piedāvājam pilnībā aprīkotu procesu laboratoriju un tehnisko centru.
Turklāt mēs piedāvājam padziļinātas konsultācijas, pielāgotu ultraskaņas sistēmu izstrādi un visaptverošu tehnisko servisu uzstādīšanai, apmācībai un apkopei.