Produkcja ultradźwiękowa stabilnych nanoemulsji

• Nanoemulsje – znane również jako miniemulsje lub emulsje submikronowe – są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań w chemii, farbach, powłokach, kosmetykach, farmaceutykach i żywności.
• Ultradźwięki są znane jako wysoce wydajna i niezawodna technika produkcji długoterminowych stabilnych nanoemulsji.

Dlaczego ultradźwięki do nanoemulsyfikacji?

Nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa to technika wykorzystująca fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości i dużej mocy do tworzenia stabilnych i jednorodnych emulsji małych kropelek, zwykle w zakresie 10-200 nm. Technika ta ma kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami emulgowania, co czyni ją lepszą w różnych zastosowaniach. Niektóre z tych zalet to:

• Jednolity rozmiar cząstek: Ultradźwiękowa nanoemulsyfikacja wytwarza małe i jednolite kropelki, które zapewniają lepszą stabilność i biodostępność. Kropelki te mają wysoki stosunek powierzchni do objętości, dzięki czemu są bardziej reaktywne i skuteczne w różnych zastosowaniach.
• Wysoka stabilność: Ultradźwiękowe nanoemulsje mają wysoką stabilność kinetyczną ze względu na ich mały rozmiar i jednorodność, co czyni je odpornymi na koalescencję, flokulację i sedymentację. Stabilność ta czyni je idealnymi do stosowania w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym i chemicznym.
• Zmniejszone zużycie energii: Nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa wymaga mniejszego nakładu energii niż tradycyjne metody emulgowania, takie jak homogenizacja lub mikrofluidyzacja, dzięki czemu jest bardziej energooszczędna i opłacalna.
• Wszechstronność: Nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa może być stosowana do emulgowania szerokiej gamy materiałów, w tym lipidów, związków hydrofilowych i substancji nierozpuszczalnych w wodzie. Sprawia to, że jest to wszechstronna technika, która może być wykorzystywana w różnych zastosowaniach.
  Szybki czas przetwarzania: Nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa to szybki proces, który można zakończyć w ciągu kilku minut, dzięki czemu nadaje się do produkcji na dużą skalę.

Ogólnie rzecz biorąc, nanoemulsyfikacja ultradźwiękowa oferuje kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami emulsyfikacji, co czyni ją doskonałą techniką do różnych zastosowań.
 

Ultradźwiękowe tworzenie nanoemulsji

Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest spowodowana sprzężeniem fal ultradźwiękowych mocy z układem ciekłym. Poprzez sonikację cieczy występują dwa mechanizmy:

1. Pole akustyczne generuje fale, które przemieszczają się przez ciecz i powodują mikroturbulencje oraz ruch międzyfazowy. W ten sposób faza graniczna staje się niestabilna, tak że faza rozproszona (wewnętrzna) ostatecznie pęka i tworzy kropelki w fazie ciągłej (zewnętrznej).
2. Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości i dużej mocy generuje kawitację (Kentish et al. 2008). W wyniku kawitacji ultradźwiękowej w medium powstają mikropęcherzyki lub puste przestrzenie z powodu cykli ciśnienia fali ultradźwiękowej. Mikropęcherzyki / puste przestrzenie rosną przez kilka cykli fal, aż gwałtownie się zapadną. Ta implozja pęcherzyków powoduje lokalnie ekstremalne warunki, takie jak bardzo wysokie ścinanie, strumienie cieczy oraz ekstremalne szybkości ogrzewania i chłodzenia. (Suslick 1999).

Te ekstremalne siły rozbijają pierwotne kropelki fazy rozproszonej (wewnętrznej) na kropelki o rozmiarach nano i mieszają je jednorodnie z fazą ciągłą (zewnętrzną).
Przeczytaj tutaj więcej o wpływie kawitacji ultradźwiękowej na emulgowanie!

Nanoemulsje farmaceutyczne

Miniemulsje lipidowe – wytwarzane przez ultradźwięki – są szeroko stosowane jako nośniki środków farmakologicznych w preparatach farmaceutycznych. Na przykład, miniemulsje mogą działać jako pozajelitowy nośnik leków lub urządzenie do dostarczania leków do tkanek docelowych. Oprócz wysokiej biodostępności kapsułkowanych związków aktywnych, zalety miniemulsji polegają na ich wysokiej biokompatybilności, biodegradowalności, stabilności i łatwości produkcji na dużą skalę. Ze względu na ich właściwości strukturalne, mogą one zawierać zarówno cząsteczki hydrofobowe, jak i amfipatyczne. Ultradźwiękowo przygotowane nanoemulsje zostały załadowane tokoferolami, witaminami, kurkuminą i wieloma innymi substancjami farmakologicznymi.
Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnymi emulgatorami do przygotowywania nanoemulsji zawierających leki. Do emulgowania ultradźwiękowego Hielscher oferuje różne akcesoria do optymalizacji procesu emulgowania. Hielschers MultiPhaseCavitator jest unikalnym dodatkiem do ultradźwiękowych komórek przepływowych, w których druga faza jest wtryskiwana jako bardzo wąski strumień bezpośrednio do ultradźwiękowej strefy gorącego punktu emulgowania.

Nanoemulsje spożywcze

Nanoemulsje oferują różne korzyści w formułowaniu produktów spożywczych. Nanoemulsje wykazują dobrą stabilność na separację grawitacyjną, flokulację, koalescencję i oferują kontrolowane uwalnianie i/lub wchłanianie składników funkcjonalnych ze względu na ich mały rozmiar kropli i dużą powierzchnię. Dodatkowo oferują wysoką biodostępność związków aktywnych, co jest ważne dla dostarczania składników odżywczych i substancji czynnych. Co więcej, oferują dobre właściwości formulacyjne, ponieważ są przezroczyste lub wizualnie półprzezroczyste, a ich submikronowe / nanorozmiarowe kropelki powodują gładkie i kremowe odczucie w ustach. W związku z tym produkcja stabilnych nanoemulsji jest wszechobecnym zadaniem dla przemysłu spożywczego, np. do formułowania produktów wzbogaconych witaminami lub kwasami tłuszczowymi (np. witamina C, witamina E omega-3, omega-6, omega-9 pochodzące z nasion roślin lub oleju rybnego) lub do wytwarzania produktów aromatyzowanych (np. z olejkami eterycznymi).

Rozkład nanocząstek w ultradźwiękowo zdyspergowanej nanoemulsji (lawendowa emulsja typu olej w wodzie). Emulsja została przygotowana za pomocą sondy ultradźwiękowej UP400St.

Nanoemulsje kosmetyczne

W szczególności nanoemulsje typu woda w oleju (W/O) oferują różne korzyści w zakresie enkapsulacji bioaktywnych substancji hydrofilowych w kropelki o nanoskali (w emulsjach pojedynczych lub podwójnych).
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej na temat bezsurfaktantowej formulacji emulsji kosmetycznych za pomocą ultradźwięków!

polimeryzacja miniemulsyjna

Wspomagana ultradźwiękami polimeryzacja miniemulsyjna jest stosowana w różnych procesach – od enkapsulacji cząstek nieorganicznych do syntezy cząstek lateksu. Zastosowanie ultradźwięków mocy do reakcji chemicznych, takich jak polimeryzacja, synteza itp. są znane jako sonochemia.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia)., ultradźwiękowa synteza lateksu i wytrącanie ultradźwiękowe!

stabilizacja emulsji

Chociaż niektóre nanoemulsje mogą być stabilne na półce bez użycia jakichkolwiek środków powierzchniowo czynnych lub emulgatorów ze względu na rozmiar i rozkład kropli w skali nano, inne nanoemulsje wymagają użycia środków stabilizujących w celu uzyskania długoterminowej stabilności i optymalnej jakości produktu. Stabilizację można osiągnąć poprzez dodanie środków powierzchniowo czynnych (tensydów) lub cząstek stałych, które działają jako stabilizatory. Emulsje stabilizowane cząstkami stałymi znane są jako emulsje Pickeringa. Laktoza, albumina, lecytyna, chitozan, cyklodekstryna, maltodekstryna, skrobia itp. mogą być stosowane jako stabilizatory koloidalne w emulsjach Pickeringa. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o generowanych ultradźwiękowo emulsjach Pickeringa!
Emulsyfikacja ultradźwiękowa może być wykonywana dla wszystkich rodzajów emulsji. Jeśli wymagany jest środek stabilizujący dla określonej emulsji, można go łatwo przetestować na małą skalę.
Należy pamiętać, że ilość wymaganego środka powierzchniowo czynnego wzrasta wraz ze zmniejszającym się rozmiarem kropli, ponieważ stosunek powierzchni do objętości (S/V) dla kulek jest określony przez: S/V = 3/R. Na przykład, im mniejsza średnica cząstki lub kropli, tym większa jej powierzchnia w stosunku do objętości.

Ultradźwiękowy sprzęt do emulgowania

Produkcja stabilnych submikronowych i nanoemulsji wymaga potężnego sprzętu ultradźwiękowego. Sprzęt do emulgowania ultradźwiękowego firmy Hielscher zapewnia bardzo wysokie amplitudy (do 200 µm dla ultrasonografów przemysłowych, wyższe amplitudy na żądanie) w celu wytworzenia intensywnego pola akustycznego.
Jednak do produkcji stabilnych nanoemulsji sam sprzęt ultradźwiękowy często nie wystarcza. Oprócz wystarczającej mocy ultradźwiękowej, precyzyjnej kontroli parametrów procesu i wyrafinowanych akcesoriów (takich jak sonotrody, reaktory przepływowe, chłodzenie) są niezbędne do uzyskania kropelek o wielkości nano i jednorodnej dyspersji zarówno fazy wodnej, jak i olejowej.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Aby produkować doskonałe emulsje o bardzo wąskim rozkładzie kropel, firma Hielscher opracowała unikalną wkładkę do celi przepływowej – MultiPhaseCavitator. Dzięki temu specjalnemu dodatkowi do celi przepływowej, druga faza emulsji jest w sposób ciągły wstrzykiwana przez 48 małych kaniul do strefy kawitacji. Technologia ta pozwala na niezawodną i wydajną produkcję bardzo małych kropelek o nanorozmiarach i wysoce stabilnych emulsji.

Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w dostarczaniu najwyższej jakości systemów ultradźwiękowych i akcesoriów zapewniających optymalne wyniki przetwarzania. Nasze wieloletnie doświadczenie w obróbce ultradźwiękowej i ścisła współpraca z naszymi klientami zapewnia pomyślne wdrożenie ultradźwięków na liniach produkcyjnych.
Na potrzeby wstępnych testów, rozwoju i optymalizacji procesów oferujemy w pełni wyposażone laboratorium procesowe i centrum techniczne.
Ponadto oferujemy dogłębne doradztwo, rozwój niestandardowych systemów ultradźwiękowych i dogłębną obsługę techniczną w zakresie instalacji, szkoleń i konserwacji.