Produção ultrassônica de nanoemulsões estáveis

• Nanoemulsões – também conhecidas como miniemulsões ou emulsões submicrônicas – são usados em uma ampla gama de aplicações em química, tintas, revestimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e alimentos.
• Os ultrassônicos 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 ultrassônica é uma técnica que utiliza ondas de ultrassom de baixa frequência e alta potência para criar emulsões estáveis e uniformes de gotículas minúsculas, normalmente na faixa de 10 a 200 nm. Essa técnica apresenta várias vantagens em relação aos métodos tradicionais de emulsificação, o que a torna superior em várias aplicações. Algumas dessas vantagens são:

• Tamanho de partícula uniforme: A nanoemulsificação ultrassônica produz gotículas pequenas e uniformes, que oferecem melhor estabilidade e biodisponibilidade. Essas gotículas têm uma alta proporção de área de superfície para volume, tornando-as mais reativas e eficazes em várias aplicações.
• Alta estabilidade: As nanoemulsões ultrassônicas possuem alta estabilidade cinética devido ao seu pequeno tamanho e uniformidade, o que as torna resistentes à coalescência, floculação e sedimentação. Essa estabilidade os torna ideais para uso em aplicações alimentícias, farmacêuticas, cosméticas e químicas.
• Consumo de energia reduzido: A nanoemulsificação ultrassônica 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 ultrassônica pode ser usada para emulsionar uma ampla gama de materiais, incluindo lipídios, compostos hidrofílicos e substâncias insolúveis em água. Isso o torna uma técnica versátil que pode ser usada em várias aplicações.
  Tempo de processamento rápido: A nanoemulsificação ultrassônica é um processo rápido que pode ser concluído em minutos, tornando-o adequado para produção em larga escala.

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

Formação ultrassônica de nanoemulsões

A emulsificação ultrassônica 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 (Kentish et al. 2008). Por cavitação ultrassônica, 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 de líquido 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 ultrassônica na emulsificação!

Nanoemulsões Farmacêuticas

Miniemulsões lipídicas – produzido por ultrassom – são amplamente aplicados como carreadores de agentes farmacológicos em formulações farmacêuticas. Por exemplo, as miniemulsões podem atuar como carreador parenteral de medicamentos ou dispositivo de administração de medicamentos para tecidos-alvo. Além da alta biodisponibilidade dos compostos ativos encapsulados, as vantagens das miniemulsões residem em sua alta biocompatibilidade, biodegradabilidade, estabilidade e facilidade de produção em larga escala. Devido às suas propriedades estruturais, eles podem incorporar moléculas hidrofóbicas e anfipáticas. Nanoemulsões preparadas por ultrassom foram carregadas com tocoferóis, vitaminas, curcurmina e muitas outras substâncias farmacológicas.
Os sistemas ultrassônicos da Hielscher são emulsificantes confiáveis para a preparação de nanoemulsões com filo de drogas. Para a emulsificação ultrassônica, a Hielscher oferece vários acessórios para otimizar o processo de emulsificação. Hielschers MultiPhaseCavitator é um complemento exclusivo para células de fluxo ultrassônico, onde a segunda fase é injetada como fluxo muito estreito diretamente na zona de emulsificação do ponto quente ultrassônico.

Nanoemulsões de grau alimentício

As nanoemulsões oferecem vários benefícios para a formulação de produtos alimentícios. As nanoemulsões apresentam boa estabilidade à separação gravitacional, floculação, coalescência e oferecem liberação e/ou absorção controlada de ingredientes funcionais devido ao seu pequeno tamanho de gotícula e grande área superficial. Além disso, oferecem uma alta biodisponibilidade de compostos ativos, o que é importante para a entrega de nutrientes e substâncias ativas. Além disso, oferecem boas propriedades de formulação, pois são transparentes ou visualmente translúcidas e suas gotículas de tamanho submicrométrico / nanométrico causam uma sensação suave e cremosa na boca. Assim, a produção de nanoemulsões estáveis é uma tarefa omnipresente para a 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 derivado 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 ultrassom (emulsão de óleo em água de lavanda). A emulsão foi preparada com a sonda ultrassônica UP400St.

Nanoemulsões cosméticas

Especialmente as nanoemulsões de água em óleo (A/O) oferecem vários benefícios para o encapsulamento de substância hidrofílica bioativa em gotículas em nanoescala (em emulsões simples ou duplas).
Clique aqui para ler mais sobre a formulação sem surfactante de emulsões cosméticas com ultrassom!

polimerização em miniemulsão

A polimerização em miniemulsão assistida por ultrassom é aplicada a vários processos – desde o encapsulamento de partículas inorgânicas até a síntese de partículas de látex. A aplicação do ultrassom de potência a reações químicas, como polimerização, síntese, etc., é conhecida como sonoquímica.
Clique aqui para ler mais sobre Sonoquímica, Síntese ultrassônica de látex e Precipitação ultrassônica!

estabilização de emulsão

Embora algumas nanoemulsões possam ser estáveis na prateleira sem o uso de surfactantes ou emulsificantes devido ao tamanho e distribuição de gotículas em escala nanométrica, outras nanoemulsões requerem o uso de agentes estabilizadores para obter estabilidade a longo prazo e qualidade ideal do produto. A estabilização pode ser realizada adicionando surfactantes (tensids) ou partículas sólidas que atuam como estabilizadores. As emulsões, que são estabilizadas por partículas sólidas, são conhecidas como emulsões de Pickering. Lactose, albumina, lecitina, quitosana, ciclodextrina, maltodextrina, amido, etc. podem ser usados como estabilizadores coloidais em emulsões de Pickering. Clique aqui para saber mais sobre emulsões Pickering geradas por ultrassom!
A emulsificação ultrassônica pode ser realizada para todos os tipos de emulsões. Se um agente estabilizador for necessário para uma emulsão específica, pode ser facilmente testado em pequena escala.
Observe que a quantidade de surfactante necessária aumenta com a diminuição do tamanho das gotículas, uma vez que a relação superfície-área / volume (S / V) para esferas é dada por: S / V = 3 / R. Por exemplo, quanto menor o diâmetro de uma partícula ou gotícula, mais área de superfície ela tem em relação ao seu volume.

Equipamento de emulsificação ultrassônica

A produção de submicron e nanoemulsões estáveis requer equipamentos ultrassônicos poderosos. O equipamento de emulsificação ultrassônica Hielscher oferece amplitudes muito altas (até 200μm para ultrassônicos industriais, amplitudes mais altas a pedido) para gerar um campo acústico intenso.
No entanto, para a produção de nanoemulsões estáveis, o equipamento de ultrassom potente por si só geralmente não é suficiente. Além de potência ultrassônica suficiente, controle preciso dos parâmetros do processo e acessórios sofisticados (como sonotrodos, reatores de célula de fluxo, resfriamento) são necessários para obter gotículas nanométricas e uma dispersão homogênea de ambos, a fase aquosa e oleosa uma na outra.
Hielscher MultiPhaseCavitator: A fim de produzir emulsões superiores com uma distribuição de gotículas muito estreita, a Hielscher desenvolveu uma inserção de célula de fluxo exclusiva – o MultiPhaseCavitator. Com este complemento especial de célula de fluxo, a segunda fase da emulsão é injetada continuamente através de 48 pequenas cânulas na zona de cavitação. Esta tecnologia permite a produção confiável e eficaz de gotículas nanométricas muito pequenas e emulsões altamente estáveis.

A Hielscher Ultrasonics é especializada no fornecimento de sistemas ultrassônicos e acessórios superiores para ótimos resultados de processamento. Nossa experiência de longo prazo em processamento ultrassônico e nossa estreita cooperação com nossos clientes garantem a implementação bem-sucedida do ultrassom nas linhas de produção.
Para testes iniciais, desenvolvimento e otimização de processos, oferecemos um laboratório de processo e um centro técnico totalmente equipados.
Além disso, oferecemos consultoria aprofundada, desenvolvimento de sistemas ultrassônicos personalizados e serviço técnico profundo para instalação, treinamento e manutenção.