Produção ultra-sônica de nanoemulsões estáveis
- Nanoemulsões – também conhecidas como miniemulsões ou emulsões submicrónicas – são utilizados numa vasta gama de aplicações em química, tintas, revestimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e alimentos.
- Ultrasonicators são conhecidos como uma técnica altamente eficiente e confiável para a produção de nanoemulsões estáveis a longo prazo.
Porquê ultra-sons para nanoemulsificação
A nanoemulsificação ultra-sónica é uma técnica que utiliza ondas de ultra-sons de baixa frequência e alta potência para criar emulsões estáveis e uniformes de gotículas minúsculas, normalmente na gama de 10-200 nm. Esta técnica tem várias vantagens sobre os métodos de emulsificação tradicionais, o que a torna superior em várias aplicações. Algumas dessas vantagens são:
- Tamanho uniforme das partículas: A nanoemulsificação ultra-sónica produz gotículas pequenas e uniformes, que oferecem uma melhor estabilidade e biodisponibilidade. Estas gotículas têm uma área de superfície elevada em relação ao volume, o que as torna mais reactivas e eficazes em várias aplicações.
- Elevada estabilidade: As nanoemulsões ultra-sónicas têm uma elevada estabilidade cinética devido ao seu pequeno tamanho e uniformidade, o que as torna resistentes à coalescência, floculação e sedimentação. Esta estabilidade torna-as ideais para utilização em aplicações alimentares, farmacêuticas, cosméticas e químicas.
- Redução do consumo de energia: A nanoemulsificação ultra-sónica requer uma menor entrada de energia do que os métodos tradicionais de emulsificação, como a homogeneização ou a microfluidização, tornando-a mais eficiente em termos energéticos e rentável.
- Versatilidade: A nanoemulsificação ultra-sónica 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 várias aplicações.
Tempo de processamento rápido: A nanoemulsificação por ultra-sons é um processo rápido que pode ser concluído em minutos, tornando-o adequado para a produção em grande escala.
Em geral, a nanoemulsificação ultra-sónica oferece várias vantagens sobre os métodos tradicionais de emulsificação, tornando-a uma técnica superior para várias aplicações.
Preparação ultra-sónica de uma nano-emulsão transparente utilizando o aparelho de ultra-sons UP400ST.
Formação ultra-sônica de nanoemulsões
A emulsificação ultra-sónica é causada pelo acoplamento das ondas de ultra-sons de potência num sistema líquido. Ao sonicar um líquido, ocorrem dois mecanismos:
- O campo acústico gera ondas que viajam através do líquido e causam microturbulências e um movimento interfacial. Deste modo, a fase limite torna-se instável, pelo que a fase dispersa (interna) acaba por se romper e formar gotículas na fase contínua (externa).
- A aplicação de ultra-sons de baixa frequência e alta potência gera cavitação (Kentish et al. 2008). Por cavitação ultra-sónica, formam-se microbolhas ou espaços vazios no meio devido aos ciclos de pressão da onda de ultra-sons. As microbolhas / vazios crescem ao longo de vários ciclos de onda até entrarem em colapso violento. Esta implosão de bolhas provoca localmente condições extremas, como cisalhamento muito elevado, jactos de líquido e taxas extremas de aquecimento e arrefecimento. (Suslick 1999).
Estas forças extremas quebram as gotículas primárias da fase dispersa (interna) em gotículas nanométricas e misturam-nas homogeneamente na fase contínua (externa).
Leia aqui mais sobre os efeitos da cavitação ultra-sónica na emulsificação!
Nanoemulsões farmacêuticas
Miniemulsões lipídicas – produzido por ultra-sons – são amplamente utilizadas como veículo para agentes farmacológicos em formulações farmacêuticas. Por exemplo, as mini-emulsões podem atuar como transportador parentérico de fármacos ou como dispositivo de administração de fármacos a tecidos-alvo. Para além da elevada biodisponibilidade dos compostos activos 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 ultra-sons foram carregadas com tocoferóis, vitaminas, curcurmina e muitas outras substâncias farmacológicas.
Os sistemas ultra-sônicos da Hielscher são emulsificantes confiáveis para a preparação de nanoemulsões codificadas por drogas. Para a emulsificação ultra-sônica, Hielscher oferece vários acessórios para otimizar o processo de emulsificação. Hielschers MultiPhaseCavitator é um add-on exclusivo para células de fluxo ultra-sônico, onde a segunda fase é injetada como fluxo muito estreito diretamente na zona de ponto quente ultra-sônico de emulsificação.
ultrassom UP400St para a formulação de nanosuspensões farmacêuticas com maior biodisponibilidade.
Nanoemulsões de qualidade alimentar
As nanoemulsões oferecem vários benefícios para a formulação de produtos alimentares. As nanoemulsões mostram uma boa estabilidade à separação gravitacional, floculação, coalescência e oferecem uma libertação e/ou absorção controlada de ingredientes funcionais devido ao seu pequeno tamanho de gotícula e grande área de superfície. Além disso, oferecem uma elevada biodisponibilidade de compostos activos, o que é importante para a entrega de nutrientes e substâncias activas. Além disso, oferecem boas propriedades de formulação, uma vez que são transparentes ou visualmente translúcidas e as suas gotículas de tamanho submicrónico/nano provocam uma sensação suave e cremosa na boca. Assim, a produção de nano-emulsões estáveis é uma tarefa omnipresente para a indústria alimentar, por exemplo, para formular produtos fortificados com vitaminas ou ácidos gordos (por exemplo, vitamina C, vitamina E ómega-3, ómega-6, ómega-9 derivados de sementes de plantas ou óleo de peixe) ou para produzir produtos aromatizados (por exemplo, com óleos essenciais).
Distribuição de gotículas nanométricas de uma nanoemulsão dispersa por ultra-sons (emulsão de óleo de lavanda em água). A emulsão foi preparada com a sonda ultra-sónica UP400St.
Nanoemulsões cosméticas
Especialmente as nanoemulsões água-em-óleo (W/O) oferecem vários benefícios para o encapsulamento de substâncias hidrofílicas bioactivas em gotículas à escala nanométrica (em emulsões simples ou duplas).
Clique aqui para ler mais sobre a formulação livre de surfactantes de emulsões cosméticas com ultra-sons!
polimerização em miniemulsão
A polimerização em miniemulsão assistida por ultra-sons é aplicada a vários processos – desde o encapsulamento de partículas inorgânicas até à síntese de partículas de látex. A aplicação de ultra-sons potentes a reacções químicas como a polimerização, a síntese, etc., é conhecida como sonoquímica.
Clique aqui para ler mais sobre Sonoquímica, síntese ultra-sónica de látex e precipitação ultra-sónica!
estabilização de emulsões
Embora algumas nanoemulsões possam ser estáveis na prateleira sem a utilização de quaisquer tensioactivos ou emulsionantes devido ao tamanho e distribuição das gotículas à escala nanométrica, outras nanoemulsões requerem a utilização de agentes estabilizadores para obter uma estabilidade a longo prazo e uma qualidade óptima do produto. A estabilização pode ser conseguida através da adição de surfactantes (tensioactivos) ou de partículas sólidas que actuam como estabilizadores. As emulsões, que são estabilizadas por partículas sólidas, são conhecidas como emulsões Pickering. A lactose, a albumina, a lecitina, o quitosano, a ciclodextrina, a maltodextrina, o amido, etc. podem ser utilizados como estabilizadores coloidais em emulsões Pickering. Clique aqui para saber mais sobre emulsões Pickering geradas por ultra-sons!
A emulsificação por ultra-sons pode ser realizada para todos os tipos de emulsões. Se for necessário um agente estabilizador para uma emulsão específica, pode ser facilmente testado em pequena escala.
Note-se que a quantidade de tensioativo necessária aumenta com a diminuição do tamanho das gotas, uma vez que a relação superfície-área-volume (S/V) para as esferas é dada por: S/V = 3/R. Por exemplo, quanto menor for o diâmetro de uma partícula ou de uma gota, maior será a sua área de superfície em relação ao seu volume.
Equipamento de emulsificação por ultra-sons
A produção de submicron- e nano-emulsões estáveis requer equipamento ultrassónico potente. O equipamento de emulsificação ultra-sónica Hielscher fornece amplitudes muito elevadas (até 200µm para ultrasonicators industriais, amplitudes mais elevadas a pedido) para gerar um campo acústico intenso.
No entanto, para a produção de nanoemulsões estáveis, o equipamento de ultra-sons de potência por si só não é muitas vezes suficiente. Para além de uma potência ultra-sónica suficiente, é necessário um controlo preciso dos parâmetros do processo e acessórios sofisticados (tais como sonotrodos, reactores de células de fluxo, arrefecimento) para obter gotículas de tamanho nanométrico e uma dispersão homogénea da fase aquosa e da fase oleosa entre si.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Para produzir emulsões de qualidade superior com uma distribuição de gotículas muito estreita, a Hielscher desenvolveu um inserto de célula de fluxo único – o MultiPhaseCavitator. Com este complemento especial da célula de fluxo, a segunda fase da emulsão é continuamente injectada através de 48 pequenas cânulas na zona de cavitação. Esta tecnologia permite a produção fiável e eficaz de gotículas de tamanho nanométrico muito pequenas e emulsões altamente estáveis.
A Hielscher Ultrasonics é especializada no fornecimento de sistemas de ultra-sons e acessórios de qualidade superior para resultados de processamento óptimos. A nossa longa experiência no processamento por ultra-sons e a nossa estreita cooperação com os nossos clientes garantem a implementação bem sucedida dos ultra-sons nas 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 uma consultoria aprofundada, o desenvolvimento de sistemas ultra-sónicos personalizados e um serviço técnico profundo para instalação, formação e manutenção.
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0.5 a 1,5mL | n.d. | VialTweeter | 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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Fatos, vale a pena conhecer
Emulsões, tamanho da gota e surfactantes
As emulsões são definidas como dois líquidos imiscíveis: Um dos líquidos – a chamada fase dispersa ou interna – é disperso como gotículas esféricas dentro do outro líquido, conhecido como fase contínua ou externa. Os líquidos mais importantes utilizados para formar uma emulsão são o óleo e a água. Quando a fase oleosa é dispersa na fase aquosa, o sistema é uma emulsão óleo em água, enquanto que quando a fase aquosa é dispersa na fase oleosa, trata-se de uma emulsão água em óleo. As emulsões distinguem-se, respetivamente, pelo seu tamanho de partícula e estabilidade termodinâmica, como macroemulsões, microemulsões e nanoemulsões.
Nanoemulsões
As nanoemulsões são dispersões nanoparticuladas, que consistem em gotículas de dimensão nanométrica. As elevadas forças de cisalhamento dos ultra-sons potentes rompem as gotículas, reduzindo-as a diâmetros submicrónicos e nanométricos. Geralmente, as gotículas de menor dimensão conduzem 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, tais como W/O/W e O/W/O. As nanoemulsões são transparentes ou mesmo translúcidas (no espetro visível), dependendo da consistência e do tamanho das gotículas. As nanoemulsões são geralmente definidas por um tamanho de gotícula entre 20 e 200nm. Com um tamanho de gota decrescente, a propensão da emulsão para a coalescência está a diminuir (diminuição do amadurecimento de Ostwald).
Os nanomateriais e as nanoemulsões são caracterizados por propriedades físicas que diferem das microemulsões. As partículas de tamanho nanométrico apresentam propriedades completamente diferentes ou as suas propriedades típicas são expressas numa forma muito extrema. O aspeto visível das nanoemulsões é diferente do das emulsões de dimensão micrónica, uma vez que as gotículas são demasiado pequenas para interferir com os comprimentos de onda ópticos do espetro visível. Por conseguinte, as nanoemulsões apresentam muito pouca dispersão de luz e parecem transparentes ou opticamente translúcidas.
O tamanho das gotículas de uma emulsão é influenciado pela composição da fase oleosa, pelas propriedades interfaciais e pela viscosidade de ambas as fases, contínua e dispersa, pelo tipo de emulsionante/surfactante, pela taxa de cisalhamento durante a emulsificação, bem como pela solubilidade da fase oleosa em água.
As nanoemulsões são amplamente utilizadas em diversas aplicações, como a administração de medicamentos, alimentos & bebidas, cosméticos, produtos farmacêuticos e ciência dos materiais & síntese.
surfactantes
Os emulsionantes são um fator essencial para preparar uma emulsão/nanoemulsão estável. Os emulsionantes são agentes tensioactivos que formam uma camada protetora sobre a gotícula e reduzem a tensão interfacial, prevenindo assim o amadurecimento de Ostwald, a coalescência e a formação de creme.
Tipos de tensioactivos:
- Tensioactivos de pequenas moléculas: Os emulsionantes não iónicos, como o Tween e o Span, apresentam uma baixa toxicidade e irritação quando administrados por via oral, parentérica e dérmica, pelo que são preferidos aos emulsionantes iónicos. O Tween e o Span são os estabilizadores preferidos para formulações de emulsão na indústria alimentar, farmacêutica e cosmética.
Adolescentes: Os Tween 20/60/80 são conhecidos como polissorbato 20/60/80 (monolaurato de sorbierite desidratado PEG-20, monoestearato de sorbierite desidratado PEG-20, monooleato de polioxietileno sorbitano). São tensioactivos não iónicos / emulsionantes derivados do sorbitol. Dissolvem-se facilmente em água, etanol, metanol ou acetato de etilo, mas apenas um pouco em óleo mineral.
Vãos: Os Span20/40/60/80 são ésteres de ácidos gordos de sorbitano/ésteres de sorbitano, tensioactivos não iónicos com propriedades emulsionantes, dispersantes e molhantes. Os tensioactivos Span são produzidos pela desidratação do sorbitol. - Fosfolípidos: gema de ovo, lecitina de soja ou de leite
- Proteínas anfifílicas: Isolado de proteína de soro de leite, caseinato
- Polissacáridos anfifílicos: goma-arábica, amidos modificados
Literatura / Referências
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Pratap-Singh, A.; Guo, Y.; Lara Ochoa, S.; Fathordoobady, F.; Singh, A. (2021): Optimal ultrasonication process time remains constant for a specific nanoemulsion size reduction system. Scientific Report 11; 2021.
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 9(2):170-175.
- Suslick, K.S. (1999): Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.