Produção ultrassónica de nanoemulsões estáveis

• As nanoemulsões – também conhecidas como miniemulsões ou emulsões submicrométricas – são utilizadas numa vasta gama de aplicações em química, tintas, revestimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e alimentos.
• Os sonicadores são reconhecidos como uma técnica altamente eficiente e fiável para a produção de nanoemulsões estáveis a longo prazo.

Porquê utilizar ultrassons na nanoemulsificação

A nanoemulsificação ultrassónica é uma técnica que utiliza ondas ultrassónicas de baixa frequência e elevada potência para criar emulsões estáveis e uniformes de gotículas minúsculas, normalmente na gama de 10–200 nm. Esta técnica apresenta várias vantagens em relação aos métodos tradicionais de emulsificação, que a tornam superior em diversas aplicações. Algumas destas vantagens são:

• Tamanho uniforme das partículas: A nanoemulsificação ultrassónica produz gotículas pequenas e uniformes, que proporcionam maior estabilidade e biodisponibilidade. Estas gotículas apresentam uma elevada relação entre a área superficial e o volume, tornando-as mais reativas e eficazes em diversas aplicações.
• Elevada estabilidade: As nanoemulsões ultrassónicas apresentam uma elevada estabilidade cinética devido ao seu pequeno tamanho e à sua uniformidade, o que as torna resistentes à coalescência, à floculação e à sedimentação. Esta estabilidade torna-as ideais para utilização em aplicações alimentares, farmacêuticas, cosméticas e químicas.
• Consumo energético reduzido: A nanoemulsificação ultrassónica requer um aporte energético inferior ao dos métodos tradicionais de emulsificação, como a homogeneização ou a microfluidização, tornando-a mais eficiente em termos energéticos e mais económica.
• Versatilidade: A nanoemulsificação ultrassónica pode ser utilizada para emulsionar uma vasta gama de materiais, incluindo lípidos, compostos hidrofílicos e substâncias insolúveis em água. Isto torna-a uma técnica versátil que pode ser utilizada em diversas aplicações.
  Tempo de processamento curto: A nanoemulsificação ultrassónica é um processo rápido que pode ser concluído em minutos, tornando-o adequado à produção em grande escala.

De um modo geral, a nanoemulsificação ultrassónica oferece várias vantagens em relação aos métodos tradicionais de emulsificação, tornando-a uma técnica superior para diversas aplicações.
 

Formação ultrassónica de nanoemulsões

A emulsificação ultrassónica resulta do acoplamento de ondas de ultrassons de potência a um sistema líquido. Ao submeter um líquido a sonicação, ocorrem dois mecanismos:

1. O campo acústico gera ondas que se propagam através do líquido e provocam microturbulências e movimento interfacial. Assim, a fase de fronteira torna-se instável, de modo que a fase dispersa (interna) acaba por se fragmentar e formar gotículas na fase contínua (externa).
2. A aplicação de ultrassons de baixa frequência e elevada potência gera cavitação (Kentish et al. 2008). Por cavitação ultrassónica, formam-se microbolhas ou cavidades no meio devido aos ciclos de pressão da onda ultrassónica. As microbolhas / cavidades crescem ao longo de vários ciclos da onda até colapsarem violentamente. Esta implosão das bolhas provoca condições localmente extremas, como cisalhamento muito elevado, jatos de líquido e taxas extremas de aquecimento e arrefecimento. (Suslick 1999).

Estas forças extremas fragmentam as gotículas primárias da fase dispersa (interna) em gotículas de tamanho nanométrico e misturam-nas homogeneamente na fase contínua (externa).
Leia aqui mais sobre os efeitos da cavitação ultrassónica na emulsificação!

Nanoemulsões farmacêuticas

As miniemulsões lipídicas – produzidas por ultrassons – são amplamente utilizadas como veículos de agentes farmacológicos em formulações farmacêuticas. Por exemplo, as miniemulsões podem atuar como veículos de fármacos para administração parentérica ou como dispositivos de administração de fármacos a tecidos-alvo. Além da elevada biodisponibilidade dos compostos ativos encapsulados, as vantagens das miniemulsões residem na sua elevada biocompatibilidade, biodegradabilidade, estabilidade e facilidade de produção em grande escala. Devido às suas propriedades estruturais, podem incorporar moléculas hidrofóbicas e anfipáticas. As nanoemulsões preparadas por ultrassons têm sido carregadas com tocoferóis, vitaminas, curcumina e muitas outras substâncias farmacológicas.
Os sistemas ultrassónicos da Hielscher são emulsionadores fiáveis para a preparação de nanoemulsões carregadas com fármacos. Para a emulsificação ultrassónica, a Hielscher oferece vários acessórios para otimizar o processo de emulsificação. O MultiPhaseCavitator da Hielscher é um acessório único para células de fluxo ultrassónicas, no qual a segunda fase é injetada sob a forma de um fluxo muito estreito diretamente na zona de emulsificação de maior intensidade ultrassónica.

Nanoemulsões de qualidade alimentar

As nanoemulsões oferecem vários benefícios para a formulação de produtos alimentares. As nanoemulsões apresentam boa estabilidade face à separação gravitacional, à floculação e à coalescência, e proporcionam a libertação e/ou absorção controlada de ingredientes funcionais devido ao pequeno tamanho das gotículas e à sua grande área superficial. Além disso, proporcionam uma elevada biodisponibilidade dos compostos ativos, o que é importante para a administração de nutrientes e substâncias ativas. Adicionalmente, apresentam boas propriedades de formulação, uma vez que são transparentes ou visualmente translúcidas e as suas gotículas de tamanho submicrométrico / nanométrico proporcionam uma sensação suave e cremosa na boca. Assim, a produção de nanoemulsões estáveis é uma tarefa omnipresente na indústria alimentar, por exemplo, para formular produtos enriquecidos com vitaminas ou ácidos gordos (por exemplo, vitamina C, vitamina E, ómega-3, ómega-6, ómega-9 provenientes de sementes de plantas ou de óleo de peixe) ou para produzir produtos aromatizados (por exemplo, com óleos essenciais).

Distribuição de gotículas de tamanho nanométrico de uma nanoemulsão dispersa por ultrassons (emulsão de óleo de lavanda em água). A emulsão foi preparada com a sonda ultrassónica UP400St.

Nanoemulsões cosméticas

Em particular, as nanoemulsões de água em óleo (W/O) oferecem vários benefícios para o encapsulamento de substâncias hidrofílicas bioativas em gotículas à escala nanométrica (em emulsões simples ou duplas).
Clique aqui para ler mais sobre a formulação de emulsões cosméticas sem tensioativos com ultrassons!

Polimerização em miniemulsão

A polimerização em miniemulsão assistida por ultrassons é aplicada a diversos processos – desde o encapsulamento de partículas inorgânicas até à síntese de partículas de látex. A aplicação de ultrassons de potência a reações químicas, como polimerização, síntese, etc., é conhecida como sonoquímica.
Clique aqui para ler mais sobre sonoquímica, síntese ultrassónica de látex e precipitação ultrassónica!

Estabilização de emulsões

Embora algumas nanoemulsões possam manter-se estáveis durante o armazenamento sem utilizar quaisquer tensioativos ou emulsionantes, devido ao tamanho e à distribuição das gotículas à escala nanométrica, outras nanoemulsões requerem agentes estabilizadores para obter estabilidade a longo prazo e uma qualidade ótima do produto. A estabilização pode ser conseguida adicionando tensioativos ou partículas sólidas que atuam como estabilizadores. As emulsões estabilizadas por partículas sólidas são conhecidas como emulsões de Pickering. Lactose, albumina, lecitina, quitosano, ciclodextrina, maltodextrina, amido, etc., podem ser utilizados como estabilizadores coloidais em emulsões de Pickering. Clique aqui para saber mais sobre emulsões de Pickering geradas por ultrassons!
A emulsificação ultrassónica pode ser realizada para todos os tipos de emulsões. É possível testar facilmente, em pequena escala, se uma emulsão específica requer um agente estabilizador.
Tenha em atenção que a quantidade de tensioativo necessária aumenta à medida que o tamanho das gotículas diminui, uma vez que a relação entre a área superficial e o volume (S/V) das esferas é dada por: S/V = 3/R. Por exemplo, quanto menor for o diâmetro de uma partícula ou gotícula, maior será a sua área superficial em relação ao seu volume.

Equipamento de emulsificação ultrassónica

A produção de emulsões submicrométricas e nanoemulsões estáveis requer equipamento ultrassónico potente. O equipamento de emulsificação ultrassónica da Hielscher proporciona amplitudes muito elevadas (até 200µm nos sonicadores industriais, amplitudes superiores mediante pedido) para gerar um campo acústico intenso.
No entanto, para a produção de nanoemulsões estáveis, o equipamento de ultrassons de potência, por si só, é frequentemente insuficiente. Além de potência ultrassónica suficiente, são necessários um controlo preciso dos parâmetros do processo e acessórios sofisticados (como sonotrodos, reatores com célula de fluxo e arrefecimento) para obter gotículas de tamanho nanométrico e uma dispersão homogénea das fases aquosa e oleosa uma na outra.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Para produzir emulsões superiores com uma distribuição de gotículas muito estreita, a Hielscher desenvolveu um inserto único para células de fluxo – o MultiPhaseCavitator. Com este acessório especial para células de fluxo, a segunda fase da emulsão é injetada continuamente na zona de cavitação através de 48 pequenas cânulas. Esta tecnologia permite a produção fiável e eficaz de gotículas muito pequenas, de tamanho nanométrico, e de emulsões altamente estáveis.

A Hielscher Ultrasonics é especializada no fornecimento de sistemas e acessórios ultrassónicos superiores para obter resultados de processamento ótimos. A nossa longa experiência em processamento ultrassónico e a nossa estreita cooperação com os clientes garantem a implementação bem-sucedida dos ultrassons nas linhas de produção.
Para testes iniciais, desenvolvimento e otimização de processos, disponibilizamos um laboratório de processos e um centro técnico totalmente equipados.
Além disso, oferecemos consultoria aprofundada, o desenvolvimento de sistemas ultrassónicos personalizados e um serviço técnico abrangente para instalação, formação e manutenção.