Ultrasone productie van stabiele nano-emulsies
- Nano-emulsies – ook bekend als miniemulsies of submicronemulsies – worden gebruikt in een groot aantal toepassingen in de chemie, verf, coatings, cosmetica, farmaceutica en voedingsmiddelen.
- Ultrasone trilnaalden staan bekend als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek voor de productie van langdurig stabiele nano-emulsies.
Waarom ultrasoontechniek voor nano-emulsificatie
Ultrasone nano-emulsificatie is een techniek waarbij ultrasone geluidsgolven met een lage frequentie en hoog vermogen worden gebruikt om stabiele en uniforme emulsies van minuscule druppeltjes te maken, meestal in het bereik van 10-200 nm. Deze techniek heeft verschillende voordelen ten opzichte van traditionele emulsificatiemethoden, waardoor het superieur is in verschillende toepassingen. Enkele van deze voordelen zijn:
- Uniforme deeltjesgrootte: Ultrasone nano-emulsificatie produceert kleine en uniforme druppeltjes, die een betere stabiliteit en biologische beschikbaarheid bieden. Deze druppeltjes hebben een hoge oppervlakte-volumeverhouding, waardoor ze reactiever en effectiever zijn in verschillende toepassingen.
- Hoge stabiliteit: Ultrasone nano-emulsies hebben een hoge kinetische stabiliteit door hun kleine omvang en uniformiteit, waardoor ze bestand zijn tegen coalescentie, uitvlokking en bezinking. Deze stabiliteit maakt ze ideaal voor gebruik in voedingsmiddelen, farmaceutische, cosmetische en chemische toepassingen.
- Lager energieverbruik: Ultrasone nano-emulsificatie vereist een lagere energie-input dan traditionele emulsificatiemethoden zoals homogenisatie of microfluïdisatie, waardoor het energie-efficiënter en kosteneffectiever is.
- Veelzijdigheid: Ultrasone nano-emulsificatie kan worden gebruikt om een breed scala aan materialen te emulgeren, waaronder lipiden, hydrofiele verbindingen en in water onoplosbare stoffen. Dit maakt het een veelzijdige techniek die in verschillende toepassingen kan worden gebruikt.
Snelle verwerkingstijd: Ultrasone nano-emulsificatie is een snel proces dat in enkele minuten kan worden voltooid, waardoor het geschikt is voor productie op grote schaal.
In het algemeen biedt ultrasone nano-emulsificatie verschillende voordelen ten opzichte van traditionele emulsificatiemethoden, waardoor het een superieure techniek is voor verschillende toepassingen.
Ultrasone bereiding van een heldere nano-emulsie met behulp van de UP400ST ultrasoon.
Ultrasone vorming van nano-emulsies
Ultrasone emulsificatie wordt veroorzaakt door de golven van ultrageluid te koppelen aan een vloeistofsysteem. Door een vloeistof te sonificeren treden twee mechanismen op:
- Het akoestische veld genereert golven die door de vloeistof reizen en microturbulenties en een grensvlakbeweging veroorzaken. Hierdoor wordt de grensfase onstabiel, zodat de gedispergeerde (interne) fase uiteindelijk breekt en druppels vormt in de continue (externe) fase.
- De toepassing van laagfrequente, krachtige ultrasonica genereert cavitatie (Kentish et al. 2008). Bij ultrasone cavitatie worden microbellen of holtes gevormd in het medium als gevolg van de drukcycli van de ultrasone golf. De microbellen/leegtes groeien gedurende verschillende golfcycli totdat ze heftig instorten. Deze bellenimplosie veroorzaakt plaatselijk extreme omstandigheden zoals zeer hoge afschuiving, vloeistofstralen en extreme verhittings- en afkoelsnelheden. (Suslick 1999).
Deze extreme krachten breken primaire druppels van gedispergeerde (interne) fase af tot druppels van nanogrootte en mengen ze homogeen in de continue (externe) fase.
Lees hier meer over de effecten van ultrasone cavitatie op emulsificatie!
Farmaceutische Nanoemulsies
Lipide miniemulsies – geproduceerd door ultrasone trillingen – worden op grote schaal toegepast als drager voor farmacologische middelen in farmaceutische formules. Miniemulsies kunnen bijvoorbeeld fungeren als parenterale dragers van geneesmiddelen of als hulpmiddelen voor het toedienen van geneesmiddelen aan doelweefsels. Naast de hoge biologische beschikbaarheid van de ingekapselde werkzame stoffen, liggen de voordelen van miniemulsies in hun hoge biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid, stabiliteit en gemakkelijke productie op grote schaal. Door hun structurele eigenschappen kunnen ze zowel hydrofobe als amfipathische moleculen bevatten. Ultrasoon bereide nano-emulsies zijn geladen met tocoferolen, vitamines, curcurmin en vele andere farmacologische stoffen.
Hielscher’s ultrasonic systems are reliable emulsifiers for the preparation of drug-loded nanoemulsions. For the ultrasonic emulsification, Hielscher offers various accessories to optimize the emulsifying process. Hielschers MultiPhaseCavitator is an unique add-on for ultrasonic flow cells, where the second phase is injected as very narrow stream directly into the ultrasonic hot spot zone of emulsification.
Ultrasone UP400St voor de formulering van farmaceutische nanosuspensies met verhoogde biobeschikbaarheid.
Nanoemulsies van voedselkwaliteit
Nano-emulsies bieden verschillende voordelen voor de formulering van voedingsmiddelen. Nanoemulsies zijn goed bestand tegen gravitaire scheiding, uitvlokking en coalescentie en bieden een gecontroleerde afgifte en/of absorptie van functionele ingrediënten door hun kleine druppelgrootte en grote oppervlak. Bovendien bieden ze een hoge biologische beschikbaarheid van actieve bestanddelen, wat belangrijk is voor het toedienen van voedingsstoffen en actieve stoffen. Verder bieden ze goede formuleringseigenschappen omdat ze transparant of visueel doorschijnend zijn en hun druppeltjes van submicron- of nanogrootte zorgen voor een glad en romig mondgevoel. Daardoor is de productie van stabiele nano-emulsies een alomtegenwoordige taak voor de voedingsindustrie, bijvoorbeeld om vitamine- of vetzuurverrijkte producten te formuleren (bijv. vitamine C, vitamine E omega-3, omega-6, omega-9 afgeleid van plantenzaad of visolie) of om gearomatiseerde producten te produceren (bijv. met essentiële oliën).
Nanodruppelverdeling van een ultrasoon gedispergeerde nano-emulsie (lavendelolie-in-water-emulsie). De emulsie werd bereid met de ultrasone sonde UP400St.
Cosmetische nano-emulsies
Vooral water-in-olie (W/O) nano-emulsies bieden verschillende voordelen voor het inkapselen van bioactieve hydrofiele stoffen in nanoschaal druppeltjes (in enkele of dubbele emulsies).
Klik hier om meer te lezen over de oppervlakteactieve stoffenvrije formulering van cosmetische emulsies met ultrasone trillingen!
miniemulsie-polymerisatie
Ultrasoon ondersteunde miniemulsie-polymerisatie wordt toegepast op verschillende processen – van de inkapseling van anorganische deeltjes tot de synthese van latexdeeltjes. De toepassing van ultrageluid op chemische reacties zoals polymerisatie, synthese enz. staat bekend als sonochemie.
Klik hier om meer te lezen over sonochemie, ultrasone synthese van latex en ultrasone neerslag!
emulsiestabilisatie
Hoewel sommige nano-emulsies houdbaar zijn zonder het gebruik van oppervlakteactieve stoffen of emulgatoren vanwege de nanodruppelgrootte en -distributie, is voor andere nano-emulsies het gebruik van stabilisatoren nodig om langdurige stabiliteit en optimale productkwaliteit te verkrijgen. Stabilisatie kan worden bereikt door het toevoegen van oppervlakteactieve stoffen (tensiden) of vaste deeltjes die als stabilisator werken. Emulsies die gestabiliseerd worden door vaste deeltjes staan bekend als Pickering-emulsies. Lactose, albumine, lecithine, chitosan, cyclodextrine, maltodextrine, zetmeel enz. kunnen worden gebruikt als colloïdale stabilisatoren in Pickering-emulsies. Klik hier voor meer informatie over ultrasoon gegenereerde Pickering-emulsies!
Ultrasone emulsie kan worden uitgevoerd voor alle soorten emulsies. Als er een stabilisatiemiddel nodig is voor een specifieke emulsie, kan dit eenvoudig op kleine schaal worden getest.
Houd er rekening mee dat de hoeveelheid benodigde oppervlakteactieve stof toeneemt naarmate de druppel kleiner wordt, aangezien de oppervlakte-volumeverhouding (S/V) voor bolletjes wordt gegeven door: S/V = 3/R. Bijvoorbeeld, hoe kleiner de diameter van een deeltje of druppel, hoe meer oppervlakte het heeft ten opzichte van het volume.
Ultrasoon emulgeermateriaal
Voor de productie van stabiele submicron- en nano-emulsies is krachtige ultrasoonapparatuur nodig. Hielscher ultrasone emulgeerapparatuur levert zeer hoge amplitudes (tot 200 µm voor industriële ultrasone apparaten, hogere amplitudes op aanvraag) om een intens akoestisch veld te genereren.
Voor de productie van stabiele nano-emulsies is krachtige ultrasone apparatuur alleen echter vaak niet voldoende. Naast voldoende ultrasoon vermogen zijn een nauwkeurige regeling van de procesparameters en geavanceerde accessoires (zoals sonotroden, doorstroomcelreactoren, koeling) nodig om druppeltjes van nanogrootte en een homogene dispersie van zowel de waterige als de oliefase te verkrijgen.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Om superieure emulsies met een zeer smalle druppelverdeling te produceren, heeft Hielscher een uniek flowcelinzetstuk ontwikkeld. – de MultiPhaseCavitator. Met deze speciale toevoeging aan de flowcel wordt de tweede fase van de emulsie continu geïnjecteerd via 48 kleine canules in de cavitatiezone. Deze technologie zorgt voor een betrouwbare en efficiënte productie van zeer kleine nanodruppeltjes en zeer stabiele emulsies.
Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in het leveren van superieure ultrasone systemen en accessoires voor optimale verwerkingsresultaten. Onze jarenlange ervaring in ultrasone verwerking en onze nauwe samenwerking met onze klanten zorgt voor een succesvolle implementatie van ultrasoon in productielijnen.
Voor initiële tests, procesontwikkeling en procesoptimalisatie bieden we een volledig uitgerust proceslaboratorium en technisch centrum..
Bovendien bieden we diepgaand advies, de ontwikkeling van ultrasone systemen op maat en een grondige technische service voor installatie, training en onderhoud.
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op!? Vraag het ons!
Caution: Video "duration" is missing
Wetenswaardigheden
Emulsies, druppelgrootte en oppervlakteactieve stoffen
Emulsies worden gedefinieerd als twee niet-mengbare vloeistoffen: Een van de vloeistoffen – de zogenaamde gedispergeerde of interne fase – wordt gedispergeerd als bolvormige druppels in de andere vloeistof, die bekend staat als continue of externe fase. De meest voorkomende vloeistoffen om een emulsie te vormen zijn olie en water. Als de oliefase gedispergeerd is in de water/waterfase, is het systeem een olie-in-water emulsie, terwijl als de water/waterfase gedispergeerd is in de oliefase, het een water-in-olie emulsie is. Emulsies worden respectievelijk door hun deeltjesgrootte en thermodynamische stabiliteit onderscheiden als macro-emulsies, micro-emulsies en nano-emulsies.
Nano-emulsies
Nanoemulsions are nanoparticulate dispersions, which consist in nano-sized droplets. The high shear forces of power ultrasound rupture the droplets so that they are reduced to submicron and nano diameter. Generally, smaller droplet sizes lead to greater emulsion stability. Nanoemulsions can be distinguished as O/W (oil-in-water), W/O (water-in-oil) or as multiple/double emulsions such as W/O/W and O/W/O. Nanoemulsion are transparent or even translucent (in the visible spectrum) depending on the consistency and droplet size. Nanoemulsions are generally defined by a droplet size between 20 and 200nm. With a descending droplet size, the emulsion’s propensity for coalescence is decreasing (decreasing Ostwald ripening).
Nanomaterialen en nano-emulsies worden gekenmerkt door fysische eigenschappen die verschillen van micro-emulsies. Nanodeeltjes hebben ofwel totaal andere eigenschappen of hun typische eigenschappen komen tot uiting in een zeer extreme vorm. In het zicht zien nano-emulsies er anders uit dan emulsies van micromaat, omdat de druppeltjes te klein zijn om te interfereren met de optische golflengten van het zichtbare spectrum. Daarom vertonen nano-emulsies zeer weinig lichtverstrooiing en zien ze er transparant of optisch doorschijnend uit.
De druppelgrootte van een emulsie wordt beïnvloed door de samenstelling van de oliefase, de interfaciale eigenschappen en viscositeit van zowel de continue als de gedispergeerde fase, het type emulgator/oppervlakteactieve stof, de afschuifsnelheid tijdens emulsificatie en de oplosbaarheid van de oliefase in water.
Nanoemulsies worden op grote schaal gebruikt in diverse toepassingen, zoals het toedienen van medicijnen, voedingsmiddelen & dranken, cosmetica, farmaceutica en materiaalkunde & synthese.
oppervlakteactieve stoffen
Emulgatoren zijn een essentiële factor om een stabiele emulsie/nano-emulsie te bereiden. Emulgatoren zijn oppervlakteactieve stoffen die een beschermende laag om de druppel vormen en de interfaciale spanning verlagen, waardoor Ostwald-rijping, coalescentie en schuimvorming worden voorkomen.
Soorten oppervlakteactieve stoffen:
- Oppervlakteactieve stoffen met kleine moleculen: Niet-ionische emulgatoren zoals Tween en Span hebben een lage toxiciteit en irritatie bij orale, parenterale en dermale toediening en genieten daarom de voorkeur boven ionische emulgatoren. Tween en Span zijn de stabilisatoren bij uitstek voor emulsieformules in de voedings-, farmaceutische en cosmetische industrie.
Tieners: Tween 20/60/80 staan bekend als polysorbaat 20/60/80 (PEG-20 gedehydrateerd sorbierietmonolauraat, PEG-20 gedehydrateerd sorbierietmonostearaat, polyoxyethyleensorbitaanmonooleaat). Het zijn niet-ionische oppervlakte-actieve stoffen? emulgatoren afgeleid van sorbitol. Ze lossen gemakkelijk op in water, ethanol, methanol of ethylacetaat, maar slechts een klein beetje in minerale olie.
Overspanningen: Span20/40/60/80 zijn sorbitaan vetzuuresters? sorbitaan esters, die niet-ionische oppervlakte-actieve stoffen zijn met emulgerende, dispergerende en bevochtigende eigenschappen. Span oppervlakte-actieve stoffen worden geproduceerd door dehydratie van sorbitol. - Fosfolipiden: eigeel, sojalecithine of zuivellecithine
- Amfifiele eiwitten: Wei-eiwitisolaat, caseïnaat
- Amfifiele polysachariden: Arabische gom, gemodificeerd zetmeel
Literatuur? Referenties
- 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 Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.