Produção de ultra-som de nanoemulsões estáveis

  • nanoemulsões – também conhecido como miniemulsions ou emulsões submicrónicas – são usados em uma ampla gama de aplicações em química, tintas, revestimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e alimentos.
  • Os ultrasonicators são conhecidos como uma técnica altamente eficiente e confiável para a produção de nanoemulsões estáveis a longo prazo.

Por que Ultrassom para Nanoemulsificação

A nanoemulsificação ultra-sônica é uma técnica que utiliza ondas de ultrassom de baixa frequência e alta potência para criar emulsões estáveis e uniformes de pequenas gotículas, tipicamente na faixa de 10-200 nm. Esta técnica tem várias vantagens sobre os métodos tradicionais de emulsificação, o que a torna superior em várias aplicações. Algumas dessas vantagens são:

  • Tamanho de partícula uniforme: A nanoemulsificação ultra-sônica produz gotículas pequenas e uniformes, que oferecem melhor estabilidade e biodisponibilidade. Essas gotículas têm uma alta relação entre área de superfície e volume, tornando-as mais reativas e eficazes em várias aplicações.
  • Alta estabilidade: As nanoemulsões ultra-sônicas têm uma alta estabilidade cinética devido ao seu pequeno tamanho e uniformidade, o que as torna resistentes à coalescência, floculação e sedimentação. Esta estabilidade torna-os ideais para uso em aplicações alimentares, farmacêuticas, cosméticas e químicas.
  • Consumo de energia reduzido: A nanoemulsificação ultra-sônica requer menor entrada de energia do que os métodos tradicionais de emulsificação, como homogeneização ou microfluidização, tornando-a mais eficiente em termos de energia e econômica.
  • Versatilidade: A nanoemulsificação ultra-sônica pode ser usada para emulsionar uma ampla gama de materiais, incluindo lipídios, compostos hidrofílicos e substâncias insolúveis em água. Isso a torna uma técnica versátil que pode ser usada em várias aplicações.
    Tempo de processamento rápido: A nanoemulsificação ultra-sônica é um processo rápido que pode ser concluído em minutos, tornando-o adequado para produção em larga escala.

No geral, a nanoemulsificação ultra-sônica oferece várias vantagens sobre os métodos tradicionais de emulsificação, tornando-se uma técnica superior para várias aplicações.
 

Neste vídeo, fazemos uma nano-emulsão de óleo de cânhamo rico em CBD em água usando um ultra-sonicator Hielscher UP400St. Em seguida, medimos a nanoemulsão usando um NANO-flex DLS. Os resultados da medição mostram uma distribuição de tamanho de partícula muito estreita e ponderada em volume na faixa de 9 a 40 nanômetros. 95% de todas as partículas estão abaixo de 28 nanômetros.

Nanoemulsão CBD - Produza uma nanoemulsão translúcida usando um homogeneizador ultrassônico UP400St!

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Preparação ultra-sônica de uma nanoemulsão CBD usando a sonda ultra-sônica UP400ST.

Preparação ultra-sônica de uma nano-emulsão clara usando o ultra-sonicator UP400ST.

Formação de ultra-som de nanoemulsões

A emulsificação ultra-sônica é causada pelo acoplamento das ondas de ultrassom de potência em um sistema líquido. Ao sonicar um líquido, ocorrem dois mecanismos:

  1. O campo acústico gera ondas que viajam através do líquido e causam microturbulências e um movimento interfacial. Assim, a fase limite torna-se instável, de modo que a fase dispersa (interna) eventualmente se rompe e forma gotículas na fase contínua (externa).
  2. A aplicação de ultrassom de baixa frequência e alta potência gera cavitação (Kent et ai. 2008). Por cavitação ultra-sônica, microbolhas ou vazios são formados no meio devido aos ciclos de pressão da onda de ultrassom. As microbolhas / vazios crescem ao longo de vários ciclos de onda até colapsarem violentamente. Essa implosão de bolhas causa condições localmente extremas, como cisalhamento muito alto, jatos líquidos e taxas extremas de aquecimento e resfriamento. (Suslick 1999).

Essas forças extremas quebram gotículas primárias de fase dispersa (interna) até gotículas de tamanho nanométrico e as misturam homogeneamente na fase contínua (externa).
Leia aqui mais sobre os efeitos da cavitação ultra-sônica na emulsificação!

nanoemulsões farmacêuticas

miniemulsions lipídios – produzido por ultra-sons – são amplamente aplicados como transportadoras para agentes farmacológicos em formulações farmacêuticas. Por exemplo, as miniemulsões podem atuar como portador de fármaco parenteral ou dispositivo de administração de fármaco para os tecidos alvo. Além da alta biodisponibilidade dos compostos ativos encapsulados, as vantagens dos miniemulsões estão em sua alta biocompatibilidade, biodegradabilidade, estabilidade e facilidade de produção em grande escala. Devido às suas propriedades estruturais, eles podem incorporar moléculas hidrofóbicas e anfipáticas. As nanoemulsões preparadas por ultra-sons foram carregadas com tocoferóis, vitaminas, curcurmin e muitas outras substâncias farmacológicas.
Os sistemas ultrassônicos da Hielscher são emulsificantes confiáveis para a preparação de nanoemulsões distribuídas por drogas. Para a emulsificação ultra-sônica, Hielscher oferece vários acessórios para otimizar o processo de emulsificação. Hielschers MultiPhaseCavitator é um complemento exclusivo para células de fluxo ultra-sônicas, onde a segunda fase é injetada como fluxo muito estreito diretamente na zona de ponto quente ultra-sônico de emulsificação.

A preparação ultra-sônica de nanosuspensões é uma técnica eficaz para a produção de formulações farmacêuticas com maior biodisponibilidade.

ultrassônico UP400St para a formulação de nanosuspensões farmacêuticas com maior biodisponibilidade.

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Nano-Emulsões Ultrassônicas: Este vídeo demonstrou a rápida produção de uma nano-emulsão de óleo na água. O UP200Ht homogeneiza o óleo e a água em segundos.

Emulsificante ultrassônico com UP200Ht com sonda S26d14

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Food-grade nanoemulsões

Nanoemulsions oferecem vários benefícios para a formulação de produtos alimentares. As nanoemulsões mostram uma boa estabilidade à separação gravitacional, floculação, coalescência e oferecem liberação controlada e / ou absorção de ingredientes funcionais devido ao seu pequeno tamanho de gotícula e grande área de superfície. Além disso, eles oferecem uma alta biodisponibilidade de compostos ativos que é importante para a entrega de nutrientes e substâncias ativas. Além disso, eles oferecem boas propriedades de formulação, pois são transparentes ou visualmente translúcidas e suas gotículas submicronas / nano-tamanho causam uma sensação de boca lisa e cremosa. Assim, a produção de nano-emulsões estáveis ​​é uma tarefa omnipresente para a indústria alimentar, por exemplo, para formular produtos emriquecidos com vitaminas ou ácidos gordos (por exemplo, vitamina C, vitamina O omega-3, omega-6, omega-9 derivadas de sementes de plantas ou óleo de peixe) ou para produzir produtos aromatizados (por exemplo, com óleos essenciais).

Medição da distribuição de gotículas de uma nanoemulsão ultrassonicamente dispersa.

Distribuição de gotículas nanométricas de uma nanoemulsão ultrassonicamente dispersa (emulsão de óleo de lavanda em água). A emulsão foi preparada com a sonda ultra-sônica UP400St.

nanoemulsões cosméticos

nanoemulsões especialmente em água em óleo (W / O) oferecem várias vantagens para a encapsulação da substância hidrófila bioactivo em gotas em nano-escala (em emulsões simples ou duplas).
Clique aqui para ler mais sobre a formulação livre de surfactante de emulsões cosméticas com ultra-som!

miniemulsão Polimerização

Ultrassonicamente assistida polimerização em miniemulsão é aplicado a vários processos – do encapsulamento de partículas inorgânicas para a síntese de partículas de látex. A aplicação de ultra-som de energia para reacções químicas, tais como a polimerização, etc síntese são conhecidos como sonoquímica.
Clique aqui para ler mais sobre sonoquímica, síntese de ultra-sons de látex e precipitação de ultra-sons!

Estabilização de emulsão

Embora algumas nanoemulsões possam ser estáveis na prateleira sem o uso de quaisquer surfactantes ou emulsionantes devido ao tamanho e distribuição de gotículas em escala nano, outras nanoemulsões exigem o uso de agentes estabilizadores para obter estabilidade a longo prazo e produto ideal Qualidade. A estabilização pode ser realizada adicionando surfactantes (tensides) ou partículas sólidas que agem como estabilizadores. Emulsões, que são estabilizadas por partículas sólidas são conhecidas como emulsões de Pickering. Lactose, albumina, lecitina, quitosana, ciclodextrina, maltodextrina, amido etc. pode ser usado como estabilizadores coloidais em emulsões Pickering. Clique aqui para saber mais sobre as emulsões de Pickering ultra-som gerado!
Ultra-sons de emulsificação pode ser executada para todos os tipos de emulsões. Se um agente de estabilização é necessário para uma emulsão específico, podem ser facilmente testados em pequena escala.
Por favor note que aumenta a quantidade de surfactante necessário com um tamanho de gota a diminuir uma vez que a proporção de área de superfície para volume (S / V) de esferas é dada por: S / V = ​​3 / R. Por exemplo, quanto menor for o diâmetro de uma partícula ou gotícula, a área de superfície mais ele tem em relação ao seu volume.

Equipamento ultra-sônico emulsificação

A produção de submícrons e nanoemulsões estáveis requer equipamentos ultrassônicos poderosos. O equipamento de emulsificação ultrassônica Hielscher oferece amplitudes muito altas (até 200μm para ultrassonicadores industriais, amplitudes mais altas a pedido) para gerar um campo acústico intenso.
No entanto, para a produção de nanoemulsões estáveis, equipamentos de ultra-som de energia só não é muitas vezes suficiente. Além de poder suficiente de ultra-sons, um controle preciso dos parâmetros do processo, e acessórios sofisticados (como eléctrodos sonoros, fluir reactores celulares, arrefecimento) são necessárias para se obter gotículas de tamanho nano e uma dispersão homogénea de ambos, a fase aquosa e fase oleosa para o outro.
Hielscher MultiPhaseCavitator: A fim de produzir emulsões superiores com uma distribuição de gotículas muito estreita, Hielscher desenvolveu uma inserção de célula de fluxo única – o MultiPhaseCavitator. Com este complemento especial de célula de fluxo, a segunda fase da emulsão é continuamente injetada através de 48 pequenas cânulas na zona de cavitação. Esta tecnologia permite a produção confiável e eficaz de gotículas de tamanho nano muito pequenas e emulsões altamente estáveis.

Hielscher Ultrasonics é especializada no fornecimento de sistemas de ultra-som superiores e acessórios para processamento de resultados ideais. Nossa longa experiência no processamento de ultra-som e nossa estreita cooperação com os nossos clientes garante a implementação bem sucedida de ultra-som em linhas de produção.
Para testes iniciais, desenvolvimento de processos e otimização de processos, oferecemos um laboratório de processos e um centro técnico totalmente equipados..
Além disso, oferecemos consultoria aprofundada, desenvolvimento de sistemas ultrassônicos personalizados e profundo serviço técnico para instalação, treinamento e manutenção.

O vídeo mostra a emulsificação altamente eficiente do petróleo. O processador ultrassônico usado é um ultrassonicador Hielscher UP400St, ideal para preparar lotes de tamanho médio de emulsões de alta qualidade.

Faça nanoemulsões estáveis com o Hielscher Ultrasonics UP400St (400 Watts)

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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
00,5 a 1,5 mL n / D. VialTweeter
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
15 a 150L 3 a 15L/min UIP6000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Este vídeo demonstra o processador ultrassônico Hielscher UP400S preparando uma emulsão de óleo vegetal nano-size nano-in-water.

Emulsificante de óleo vegetal na água usando o UP400S

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Fatos, vale a pena conhecer

Emulsões, tamanho de gotículas e surfactantes

As emulsões são definidas como dois líquidos imiscíveis: Um dos líquidos – a chamada fase dispersa ou interna – é dispersa como gotículas dentro da outra esféricas líquido, conhecidos como fase contínua ou externa. Os líquidos mais importantes utilizadas para formar uma emulsão de óleo e água são. Quando a fase de óleo é disperso na fase aquosa / aquosa, o sistema é uma emulsão de óleo-em-água, ao passo que quando a fase aquosa / aquosa é dispersa na fase oleosa, que é uma emulsão água-em-óleo. As emulsões são distinguidos, respectivamente, o seu tamanho de partícula e estabilidade termodinâmica como macroemulsões, microemulsões, nanoemulsões e, respectivamente.

nanoemulsões

Nanoemulsões são dispersões nanoparticuladas, que consistem em gotículas de tamanho nano. As altas forças de cisalhamento da ultra-sonografia de potência rompem as gotículas para que elas sejam reduzidas ao diâmetro submicron e nano. Geralmente, os tamanhos menores de gotículas levam a uma maior estabilidade da emulsão. As nanoemulsões podem ser distinguidas como O / W (óleo-em-água), W / O (água-em-óleo) ou como emulsões múltiplas / duplas, como W / O / W e O / W / O. A nanoemulsão é transparente ou mesmo translúcida (no espectro visível), dependendo da consistência e do tamanho das gotículas. As nanoemulsões são geralmente definidas por um tamanho de gota entre 20 e 200nm. Com um tamanho de gotícula descendente, a propensão da emulsão para a coalescência diminui (diminuindo a maturação de Ostwald).
Nanomateriais e nanoemulsões são caracterizados por propriedades físicas que diferem das microemulsões. As partículas de tamanho nanométrico mostram propriedades completamente diferentes ou suas propriedades típicas são expressas em uma forma muito extrema. A aparência visível das nanoemulsões tem uma aparência diferente das emulsões de tamanho micrométrico, uma vez que as gotículas são muito pequenas para interferir com os comprimentos de onda ópticos do espectro visível. Portanto, as nanoemulsões exibem muito pouca dispersão de luz e aparecem transparentes ou opticamente translúcidas.
O tamanho das gotículas de emulsão é influenciado pela composição da fase de óleo, as propriedades interfaciais e viscosidade de ambos, as fases contínua e dispersa, o tipo de emulsionante / tensioactivo, taxa de cisalhamento durante a emulsificação, assim como a solubilidade da fase oleosa na água.
Nanoemulsões são amplamente utilizados em diversas aplicações tais como o fornecimento de drogas, alimentos & bebidas, cosméticos, produtos farmacêuticos e ciência dos materiais & síntese.

surfactantes

Os emulsionantes são um factor essencial para preparar uma emulsão estável / nanoemulsão. Os emulsionantes são agentes tensio-activos que formam uma camada protectora sobre a gotícula e reduzir a tensão interfacial, prevenindo assim a maturação de Ostwald, coalescência, e formação de creme.
Tipos de surfactantes:

  • Molécula pequena tensioactivos: emulsionante não-iónico, tal como Tween e Span mostram uma baixa toxicidade e irritação quando administrado por via oral, parentérica e por via dérmica e portanto são preferidos em relação emulsionantes iónicos. Tween e Span são os estabilizadores preferidos para as formulações em emulsão na indústria alimentar, farmacêutica e na indústria cosmectic.
    tweens: Tween 20/60/80 são conhecidos como polissorbato 20/60/80 (PEG-20 monolaurato de sorbierite desidratado, PEG-20 monoestearato de sorbierite desidratado, monooleato de polioxietileno sorbitano). Eles são surfactantes não iónicos / emulsionantes derivados de sorbitol. Eles se dissolve facilmente em água, etanol, metanol ou acetato de etilo, mas apenas um pouco em óleo mineral.
    abrange: Span20 / 40/60/80 são os ésteres de sorbitano de ácidos gordos / ésteres de sorbitano, que são tensioactivos não-iónicos com propriedades emulsionantes, dispersantes, e propriedades de molhagem. tensioactivos Span são produzidos pela desidratação de sorbitol.
  • Fosfolidos: gema de ovo, soja ou lecitina de laticínios
  • proteínas anfifílicas: isolado de protea de soro de leite, caseinato
  • polissacáridos anfifílicos: goma arábica, amidos modificados

Literatura / Referências


Ultrassônicos de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro desde o ultrassônico de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos industriais completos.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.


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