Ultrasone productie van stabiele nano-emulsies

• Nano-emulsies – ook bekend als mini-emulsies of submicronemulsies – worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen in de chemie, verven, coatings, cosmetica, farmaceutica en voedingsmiddelen.
• Sonicatoren staan bekend als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek voor de productie van langdurig stabiele nano-emulsies.

Waarom ultrasone technologie voor nano-emulgering

Ultrasone nano-emulgering is een techniek die gebruikmaakt van laagfrequente ultrasone golven met hoog vermogen om stabiele en uniforme emulsies van zeer kleine druppels te creëren, doorgaans in het bereik van 10–200 nm. Deze techniek heeft verschillende voordelen ten opzichte van traditionele emulgeermethoden, waardoor ze bij uiteenlopende toepassingen superieur is. Enkele van deze voordelen zijn:

• Uniforme deeltjesgrootte: Ultrasone nano-emulgering produceert kleine en uniforme druppels, die een betere stabiliteit en biologische beschikbaarheid bieden. Deze druppels hebben een hoge verhouding tussen oppervlakte en volume, waardoor ze reactiever en effectiever zijn in uiteenlopende toepassingen.
• Hoge stabiliteit: Ultrasone nano-emulsies hebben een hoge kinetische stabiliteit dankzij hun kleine afmetingen en uniformiteit, waardoor ze bestand zijn tegen coalescentie, flocculatie en sedimentatie. Deze stabiliteit maakt ze ideaal voor gebruik in voedingsmiddelen, farmaceutica en cosmetische en chemische toepassingen.
• Lager energieverbruik: Ultrasone nano-emulgering vereist minder energietoevoer dan traditionele emulgeermethoden zoals homogenisatie of microfluïdisatie, waardoor ze energiezuiniger en kosteneffectiever is.
• Veelzijdigheid: Ultrasone nano-emulgering kan worden gebruikt om een breed scala aan materialen te emulgeren, waaronder lipiden, hydrofiele verbindingen en stoffen die niet in water oplosbaar zijn. Dit maakt het een veelzijdige techniek die in uiteenlopende toepassingen kan worden gebruikt.
  Korte verwerkingstijd: Ultrasone nano-emulgering is een snel proces dat binnen enkele minuten kan worden voltooid, waardoor het geschikt is voor grootschalige productie.

Al met al biedt ultrasone nano-emulgering verschillende voordelen ten opzichte van traditionele emulgeermethoden, waardoor het een superieure techniek is voor uiteenlopende toepassingen.
 

Ultrasone vorming van nano-emulsies

Ultrasone emulgering vindt plaats door de golven van ultrageluid met hoog vermogen in een vloeistofsysteem te koppelen. Bij sonicatie van een vloeistof treden twee mechanismen op:

1. Het akoestische veld genereert golven die zich door de vloeistof voortplanten en microturbulentie en beweging van het grensvlak veroorzaken. Daardoor wordt de grensfase instabiel, zodat de gedispergeerde (interne) fase uiteindelijk uiteenvalt en druppels vormt in de continue (externe) fase.
2. De toepassing van laagfrequent ultrageluid met hoog vermogen genereert cavitatie (Kentish et al. 2008). Door ultrasone cavitatie ontstaan microbellen of holtes in het medium als gevolg van de drukcycli van de ultrasone golf. De microbellen / holtes groeien gedurende meerdere golfcycli totdat ze heftig imploderen. Deze implosie van de bellen veroorzaakt lokaal extreme omstandigheden, zoals zeer hoge afschuiving, vloeistofstralen en extreme opwarmings- en afkoelsnelheden. (Suslick 1999).

Deze extreme krachten breken primaire druppels van de gedispergeerde (interne) fase op tot druppels op nanoschaal en mengen ze homogeen in de continue (externe) fase.
Lees hier meer over de effecten van ultrasone cavitatie op emulgering!

Farmaceutische nano-emulsies

Mini-emulsies van lipiden – geproduceerd met ultrageluid – worden veelvuldig toegepast als drager voor farmacologische stoffen in farmaceutische formuleringen. Mini-emulsies kunnen bijvoorbeeld dienen als parenterale geneesmiddeldrager of als systeem voor geneesmiddelafgifte aan doelweefsels. Naast de hoge biologische beschikbaarheid van de ingekapselde werkzame verbindingen liggen de voordelen van mini-emulsies in hun hoge biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid, stabiliteit en het gemak van grootschalige productie. Dankzij hun structurele eigenschappen kunnen ze zowel hydrofobe als amfipathische moleculen opnemen. Ultrasoon bereide nano-emulsies zijn beladen met tocoferolen, vitaminen, curcumine en vele andere farmacologische stoffen.
De ultrasone systemen van Hielscher zijn betrouwbare emulgatoren voor de bereiding van nano-emulsies die met geneesmiddelen zijn beladen. Voor ultrasone emulgering biedt Hielscher diverse accessoires om het emulgeerproces te optimaliseren. De MultiPhaseCavitator van Hielscher is een unieke uitbreiding voor ultrasone doorstroomcellen, waarbij de tweede fase als een zeer smalle stroom rechtstreeks in de ultrasone hotspotzone voor emulgering wordt geïnjecteerd.

Nano-emulsies die geschikt zijn voor gebruik in voedingsmiddelen

Nano-emulsies bieden verschillende voordelen voor de formulering van voedingsproducten. Nano-emulsies zijn goed bestand tegen scheiding door zwaartekracht, flocculatie en coalescentie en bieden gecontroleerde afgifte en/of absorptie van functionele ingrediënten dankzij hun kleine druppelgrootte en grote oppervlakte. Daarnaast bieden ze een hoge biologische beschikbaarheid van werkzame verbindingen, wat belangrijk is voor de afgifte van voedingsstoffen en werkzame stoffen. Bovendien bieden ze goede formuleringseigenschappen, omdat ze transparant of zichtbaar doorschijnend zijn en hun druppels op submicron- / nanoschaal een glad en romig mondgevoel geven. Daardoor is de productie van stabiele nano-emulsies een alom aanwezige taak voor de voedingsmiddelenindustrie, bijvoorbeeld voor het formuleren van producten die met vitaminen of vetzuren zijn verrijkt (bijvoorbeeld vitamine C, vitamine E omega-3, omega-6, omega-9 afkomstig uit plantenzaden of visolie) of voor het produceren van gearomatiseerde producten (bijvoorbeeld met etherische oliën).

Verdeling van druppels op nanoschaal in een ultrasoon gedispergeerde nano-emulsie (olie-in-wateremulsie met lavendelolie). De emulsie is bereid met de ultrasone sonde UP400St.

Cosmetische nano-emulsies

Vooral nano-emulsies van het type water-in-olie (W/O) bieden verschillende voordelen voor het inkapselen van bioactieve hydrofiele stoffen in druppels op nanoschaal (in enkelvoudige of dubbele emulsies).
Klik hier om meer te lezen over de formulering van cosmetische emulsies zonder oppervlakteactieve stoffen met behulp van ultrageluid!

Mini-emulsiepolymerisatie

Ultrasoon ondersteunde mini-emulsiepolymerisatie wordt toegepast in uiteenlopende processen – van het inkapselen van anorganische deeltjes tot de synthese van latexdeeltjes. De toepassing van ultrageluid met hoog vermogen bij chemische reacties zoals polymerisatie, synthese enz. staat bekend als sonochemie.
Klik hier om meer te lezen over sonochemie, ultrasone synthese van latex en ultrasone precipitatie!

Stabilisatie van emulsies

Hoewel sommige nano-emulsies dankzij hun druppelgrootte en druppelverdeling op nanoschaal stabiel kunnen blijven tijdens opslag zonder gebruik van oppervlakteactieve stoffen of emulgatoren, vereisen andere nano-emulsies het gebruik van stabilisatiemiddelen om langdurige stabiliteit en optimale productkwaliteit te verkrijgen. Stabilisatie kan worden bereikt door oppervlakteactieve stoffen (tensiden) of vaste deeltjes toe te voegen die als stabilisatoren fungeren. Emulsies die door vaste deeltjes worden gestabiliseerd, staan bekend als Pickering-emulsies. Lactose, albumine, lecithine, chitosan, cyclodextrine, maltodextrine, zetmeel enz. kunnen als colloïdale stabilisatoren in Pickering-emulsies worden gebruikt. Klik hier om meer te weten te komen over ultrasoon geproduceerde Pickering-emulsies!
Ultrasone emulgering kan voor alle soorten emulsies worden toegepast. Of een stabilisatiemiddel voor een specifieke emulsie nodig is, kan eenvoudig op kleine schaal worden getest.
Houd er rekening mee dat de benodigde hoeveelheid oppervlakteactieve stof toeneemt naarmate de druppelgrootte afneemt, aangezien de verhouding tussen oppervlakte en volume (S/V) voor bollen wordt gegeven door: S/V = 3/R. Hoe kleiner bijvoorbeeld de diameter van een deeltje of druppel, hoe groter de oppervlakte ten opzichte van het volume.

Apparatuur voor ultrasone emulgering

De productie van stabiele submicronemulsies en nano-emulsies vereist krachtige ultrasone apparatuur. De ultrasone emulgeerapparatuur van Hielscher levert zeer hoge amplitudes (tot 200µm voor industriële sonicatoren, hogere amplitudes op aanvraag) om een intens akoestisch veld te genereren.
Voor de productie van stabiele nano-emulsies is apparatuur voor ultrageluid met hoog vermogen alleen echter vaak niet voldoende. Naast voldoende ultrasoon vermogen zijn nauwkeurige regeling van de procesparameters en geavanceerde accessoires (zoals sonotroden, doorstroomcelreactoren en koeling) nodig om druppels op nanoschaal en een homogene dispersie van zowel de waterige fase als de oliefase in elkaar te verkrijgen.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Om superieure emulsies met een zeer smalle druppelverdeling te produceren, heeft Hielscher een uniek inzetstuk voor doorstroomcellen ontwikkeld – de MultiPhaseCavitator. Met deze speciale uitbreiding voor doorstroomcellen wordt de tweede fase van de emulsie continu via 48 kleine canules in de cavitatiezone geïnjecteerd. Deze technologie maakt de betrouwbare en doeltreffende productie van zeer kleine druppels op nanoschaal en zeer stabiele emulsies mogelijk.

Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in het leveren van superieure ultrasone systemen en accessoires voor optimale verwerkingsresultaten. Onze jarenlange ervaring met ultrasone verwerking en onze nauwe samenwerking met onze klanten waarborgen de succesvolle implementatie van ultrasone technologie in productielijnen.
Voor eerste tests, procesontwikkeling en procesoptimalisatie bieden wij een volledig uitgerust proceslaboratorium en technisch centrum.
Daarnaast bieden wij uitvoerig advies, de ontwikkeling van ultrasone systemen op maat en deskundige technische dienstverlening voor installatie, training en onderhoud.