Ultradźwiękowa produkcja stabilnych nanoemulsji

• Nanoemulsje – znane również jako miniemulsje lub emulsje submikronowe – znajdują szerokie zastosowanie w chemii, farbach, powłokach, kosmetykach, farmaceutykach i żywności.
• Sonikatory są znane jako wysoce wydajna i niezawodna technika wytwarzania nanoemulsji o długotrwałej stabilności.

Dlaczego warto stosować ultradźwięki do nanoemulgowania

Nanoemulgowanie ultradźwiękowe to technika wykorzystująca fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości i dużej mocy do tworzenia stabilnych i jednorodnych emulsji złożonych z drobnych kropli, zwykle o rozmiarach w zakresie 10–200 nm. Technika ta ma kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami emulgowania, dzięki którym przewyższa je w różnych zastosowaniach. Oto niektóre z tych zalet:

• Jednorodna wielkość cząstek: Nanoemulgowanie ultradźwiękowe wytwarza małe i jednorodne krople, które zapewniają lepszą stabilność i biodostępność. Krople te mają wysoki stosunek powierzchni do objętości, co zwiększa ich reaktywność i skuteczność w różnych zastosowaniach.
• Wysoka stabilność: Nanoemulsje ultradźwiękowe mają wysoką stabilność kinetyczną dzięki małym rozmiarom i jednorodności kropli, co zapewnia im odporność na koalescencję, flokulację i sedymentację. Ta stabilność sprawia, że idealnie nadają się do zastosowań spożywczych, farmaceutycznych, kosmetycznych i chemicznych.
• Mniejsze zużycie energii: Nanoemulgowanie ultradźwiękowe wymaga mniejszego nakładu energii niż tradycyjne metody emulgowania, takie jak homogenizacja czy mikrofluidyzacja, dzięki czemu jest bardziej energooszczędne i opłacalne.
• Wszechstronność: Nanoemulgowanie ultradźwiękowe można stosować do emulgowania szerokiej gamy materiałów, w tym lipidów, związków hydrofilowych i substancji nierozpuszczalnych w wodzie. Dzięki temu jest to wszechstronna technika, którą można wykorzystać w różnych zastosowaniach.
  Krótki czas przetwarzania: Nanoemulgowanie ultradźwiękowe to szybki proces, który można zakończyć w ciągu kilku minut, dzięki czemu nadaje się do produkcji na dużą skalę.

Ogólnie rzecz biorąc, nanoemulgowanie ultradźwiękowe oferuje szereg zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami emulgowania, co sprawia, że jest techniką przewyższającą je w różnych zastosowaniach.
 

Ultradźwiękowe tworzenie nanoemulsji

Emulgowanie ultradźwiękowe zachodzi wskutek sprzężenia fal ultradźwiękowych dużej mocy z układem ciekłym. Podczas sonikacji cieczy występują dwa mechanizmy:

1. Pole akustyczne generuje fale, które rozchodzą się w cieczy i powodują mikroturbulencje oraz ruch na granicy faz. W rezultacie faza graniczna staje się niestabilna, tak że faza rozproszona (wewnętrzna) ostatecznie ulega rozbiciu i tworzy krople w fazie ciągłej (zewnętrznej).
2. Zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości i dużej mocy powoduje kawitację (Kentish et al. 2008). W wyniku kawitacji ultradźwiękowej w ośrodku powstają mikropęcherzyki lub pustki wskutek cyklicznych zmian ciśnienia wywoływanych przez falę ultradźwiękową. Mikropęcherzyki / pustki rosną przez kilka cykli fali, aż gwałtownie się zapadną. Ta implozja pęcherzyków powoduje lokalnie ekstremalne warunki, takie jak bardzo intensywne ścinanie, strugi cieczy oraz ekstremalne szybkości ogrzewania i chłodzenia. (Suslick 1999).

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

Nanoemulsje farmaceutyczne

Miniemulsje lipidowe – wytwarzane za pomocą ultradźwięków – są szeroko stosowane jako nośniki substancji farmakologicznych w formulacjach farmaceutycznych. Na przykład miniemulsje mogą pełnić funkcję nośnika leków podawanych pozajelitowo lub systemu dostarczania leków do tkanek docelowych. Oprócz wysokiej biodostępności enkapsulowanych związków aktywnych zalety miniemulsji obejmują wysoką biokompatybilność, biodegradowalność, stabilność i łatwość produkcji na dużą skalę. Dzięki swoim właściwościom strukturalnym mogą zawierać zarówno cząsteczki hydrofobowe, jak i amfipatyczne. Nanoemulsje przygotowane ultradźwiękowo były wykorzystywane do wprowadzania tokoferoli, witamin, kurkuminy i wielu innych substancji farmakologicznych.
Systemy ultradźwiękowe Hielscher są niezawodnymi emulgatorami do przygotowywania nanoemulsji zawierających leki. Do emulgowania ultradźwiękowego Hielscher oferuje różne akcesoria umożliwiające optymalizację procesu emulgowania. MultiPhaseCavitator firmy Hielscher to wyjątkowy dodatek do ultradźwiękowych komór przepływowych, w którym druga faza jest wtryskiwana w postaci bardzo wąskiej strugi bezpośrednio do strefy najintensywniejszego działania ultradźwięków podczas emulgowania.

Nanoemulsje do zastosowań spożywczych

Nanoemulsje oferują różne korzyści przy opracowywaniu produktów spożywczych. Nanoemulsje wykazują dobrą stabilność wobec rozdzielania grawitacyjnego, flokulacji i koalescencji oraz zapewniają kontrolowane uwalnianie i/lub wchłanianie składników funkcjonalnych dzięki małym rozmiarom kropli i dużej powierzchni. Ponadto zapewniają wysoką biodostępność związków aktywnych, co jest istotne przy dostarczaniu składników odżywczych i substancji aktywnych. Mają również korzystne właściwości z punktu widzenia opracowywania formulacji, ponieważ są przezroczyste lub wizualnie przeświecające, a ich krople o rozmiarach submikronowych / nanometrycznych zapewniają gładkie i kremowe odczucie w ustach. Z tego względu produkcja stabilnych nanoemulsji jest wszechobecnym zadaniem w przemyśle spożywczym, np. przy opracowywaniu produktów wzbogacanych witaminami lub kwasami tłuszczowymi (np. witaminą C, witaminą E, omega-3, omega-6, omega-9 pochodzącymi z oleju z nasion roślin lub oleju rybiego) lub przy produkcji wyrobów aromatyzowanych (np. olejkami eterycznymi).

Rozkład wielkości kropli nanometrycznych w nanoemulsji zdyspergowanej ultradźwiękowo (emulsji olejku lawendowego w wodzie). Emulsję przygotowano za pomocą sondy ultradźwiękowej UP400St.

Nanoemulsje kosmetyczne

Zwłaszcza nanoemulsje typu woda w oleju (W/O) oferują różne korzyści przy enkapsulacji bioaktywnej substancji hydrofilowej w kroplach nanometrycznych (w emulsjach pojedynczych lub podwójnych).
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o opracowywaniu emulsji kosmetycznych bez surfaktantów za pomocą ultradźwięków!

Polimeryzacja w miniemulsji

Polimeryzacja w miniemulsji wspomagana ultradźwiękami jest stosowana w różnych procesach – od enkapsulacji cząstek nieorganicznych po syntezę cząstek lateksu. Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy w reakcjach chemicznych, takich jak polimeryzacja, synteza itp., jest znane jako sonochemia.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonochemii, ultradźwiękowej syntezie lateksu i ultradźwiękowym strącaniu!

Stabilizacja emulsji

Chociaż niektóre nanoemulsje mogą zachowywać stabilność podczas przechowywania bez stosowania jakichkolwiek surfaktantów lub emulgatorów dzięki nanometrycznym rozmiarom i rozkładowi wielkości kropli, inne nanoemulsje wymagają zastosowania środków stabilizujących w celu uzyskania długotrwałej stabilności i optymalnej jakości produktu. Stabilizację można osiągnąć przez dodanie surfaktantów (tenzydów) lub cząstek stałych pełniących funkcję stabilizatorów. Emulsje stabilizowane cząstkami stałymi są znane 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 emulsjach Pickeringa wytwarzanych ultradźwiękowo!
Emulgowanie ultradźwiękowe można stosować do wszystkich rodzajów emulsji. To, czy dana emulsja wymaga środka stabilizującego, można łatwo sprawdzić w małej skali.
Należy pamiętać, że wymagana ilość surfaktantu rośnie wraz ze zmniejszaniem się wielkości kropli, ponieważ stosunek powierzchni do objętości (S/V) dla kul jest określony wzorem: S/V = 3/R. Na przykład im mniejsza średnica cząstki lub kropli, tym większa jest jej powierzchnia w stosunku do objętości.

Urządzenia do emulgowania ultradźwiękowego

Produkcja stabilnych emulsji submikronowych i nanoemulsji wymaga urządzeń ultradźwiękowych o dużej mocy. Urządzenia Hielscher do emulgowania ultradźwiękowego zapewniają bardzo wysokie amplitudy (do 200µm w przypadku sonikatorów przemysłowych, wyższe amplitudy na zamówienie), aby wytworzyć intensywne pole akustyczne.
Jednak do produkcji stabilnych nanoemulsji same urządzenia ultradźwiękowe dużej mocy często nie wystarczają. Oprócz wystarczającej mocy ultradźwięków konieczne są precyzyjna kontrola parametrów procesu i zaawansowane akcesoria (takie jak sonotrody, reaktory z komorą przepływową, chłodzenie), aby uzyskać krople nanometryczne oraz jednorodne wzajemne rozproszenie fazy wodnej i olejowej.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Aby wytwarzać emulsje o doskonałej jakości i bardzo wąskim rozkładzie wielkości kropli, Hielscher opracował wyjątkową wkładkę do komory przepływowej – MultiPhaseCavitator. Dzięki temu specjalnemu dodatkowi do komory przepływowej druga faza emulsji jest stale wtryskiwana przez 48 małych kaniul do strefy kawitacji. Technologia ta umożliwia niezawodne i skuteczne wytwarzanie bardzo małych kropli nanometrycznych oraz wysoce stabilnych emulsji.

Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w dostarczaniu doskonałych systemów ultradźwiękowych i akcesoriów zapewniających optymalne wyniki przetwarzania. Nasze wieloletnie doświadczenie w przetwarzaniu ultradźwiękowym i ścisła współpraca z klientami zapewniają skuteczne wdrażanie ultradźwięków w liniach produkcyjnych.
Do wstępnych testów, opracowywania i optymalizacji procesów oferujemy w pełni wyposażone laboratorium procesowe i centrum techniczne.
Ponadto oferujemy szczegółowe doradztwo, opracowywanie systemów ultradźwiękowych dostosowanych do indywidualnych potrzeb oraz kompleksowy serwis techniczny w zakresie instalacji, szkoleń i konserwacji.