Producția cu ultrasunete a nanoemulsiilor stabile

• Nanoemulsiile – cunoscute și ca miniemulsii sau emulsii submicronice – sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații din chimie, vopsele, acoperiri, cosmetică, produse farmaceutice și alimente.
• Ultrasonicatoarele sunt cunoscute ca o tehnică extrem de eficientă și fiabilă pentru producerea nanoemulsiilor stabile pe termen lung.

De ce ultrasunete pentru nanoemulsificare

Nanoemulsificarea cu ultrasunete este o tehnică ce utilizează unde ultrasonice de joasă frecvență și mare putere pentru a crea emulsii stabile și uniforme din picături minuscule, de regulă în intervalul 10–200 nm. Această tehnică are mai multe avantaje față de metodele tradiționale de emulsificare, care o fac superioară în diverse aplicații. Câteva dintre aceste avantaje sunt:

• Dimensiune uniformă a particulelor: Nanoemulsificarea cu ultrasunete produce picături mici și uniforme, care oferă o stabilitate și o biodisponibilitate mai bune. Aceste picături au un raport mare între suprafață și volum, ceea ce le face mai reactive și mai eficiente în diverse aplicații.
• Stabilitate ridicată: Nanoemulsiile obținute cu ultrasunete au o stabilitate cinetică ridicată datorită dimensiunii mici și uniformității lor, ceea ce le face rezistente la coalescență, floculare și sedimentare. Această stabilitate le face ideale pentru utilizarea în aplicații alimentare, farmaceutice, cosmetice și chimice.
• Consum redus de energie: Nanoemulsificarea cu ultrasunete necesită un aport energetic mai mic decât metodele tradiționale de emulsificare, cum ar fi omogenizarea sau microfluidizarea, ceea ce o face mai eficientă energetic și mai rentabilă.
• Versatilitate: Nanoemulsificarea cu ultrasunete poate fi folosită pentru emulsificarea unei game largi de materiale, inclusiv lipide, compuși hidrofili și substanțe insolubile în apă. Acest lucru o face o tehnică versatilă, care poate fi utilizată în diverse aplicații.
  Timp de procesare rapid: Nanoemulsificarea cu ultrasunete este un proces rapid, care poate fi finalizat în câteva minute, ceea ce o face potrivită pentru producția la scară mare.

În ansamblu, nanoemulsificarea cu ultrasunete oferă mai multe avantaje față de metodele tradiționale de emulsificare, ceea ce o face o tehnică superioară pentru diverse aplicații.

Formarea nanoemulsiilor cu ultrasunete

Emulsificarea cu ultrasunete este produsă prin cuplarea undelor ultrasonice de putere într-un sistem lichid. Prin sonicarea unui lichid apar două mecanisme:

1. Câmpul acustic generează unde care se propagă prin lichid și provoacă microturbulențe și o mișcare interfacială. Prin aceasta, faza de graniță devine instabilă, astfel încât faza dispersată (internă) se rupe în cele din urmă și formează picături în faza continuă (externă).
2. Aplicarea ultrasunetelor de joasă frecvență și mare putere generează cavitație (Kentish et al. 2008). Prin cavitația ultrasonică, în mediu se formează microbule sau goluri din cauza ciclurilor de presiune ale undei ultrasonice. Microbulele / golurile cresc pe parcursul mai multor cicluri ale undei până când colapsează violent. Această implozie a bulelor provoacă local condiții extreme, cum ar fi forfecare foarte mare, jeturi de lichid și viteze extreme de încălzire și răcire. (Suslick 1999).

Aceste forțe extreme sparg picăturile primare ale fazei dispersate (interne) până la picături de dimensiuni nanometrice și le amestecă omogen în faza continuă (externă).
Citiți aici mai multe despre efectele cavitației ultrasonice asupra emulsificării!

Nanoemulsii farmaceutice

Miniemulsiile lipidice – produse cu ultrasunete – sunt aplicate pe scară largă ca purtători pentru agenți farmacologici în formulările farmaceutice. De exemplu, miniemulsiile pot acționa ca purtători parenterali de medicamente sau ca dispozitive de administrare a medicamentelor către țesuturile țintă. Pe lângă biodisponibilitatea ridicată a compușilor activi încapsulați, avantajele miniemulsiilor constau în biocompatibilitatea lor ridicată, biodegradabilitate, stabilitate și ușurința producției la scară mare. Datorită proprietăților lor structurale, acestea pot încorpora atât molecule hidrofobe, cât și amfipatice. Nanoemulsiile preparate cu ultrasunete au fost încărcate cu tocoferoli, vitamine, curcumină și multe alte substanțe farmacologice.
Sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt emulsificatoare fiabile pentru prepararea nanoemulsiilor încărcate cu medicamente. Pentru emulsificarea cu ultrasunete, Hielscher oferă diverse accesorii pentru optimizarea procesului de emulsificare. MultiphaseCavitator de la Hielscher este un accesoriu unic pentru celulele de flux cu ultrasunete, prin care a doua fază este injectată sub forma unui jet foarte îngust direct în zona ultrasonică de hot spot a emulsificării.

Nanoemulsii de calitate alimentară

Nanoemulsiile oferă diverse beneficii pentru formularea produselor alimentare. Nanoemulsiile prezintă o bună stabilitate la separarea gravitațională, floculare și coalescență și oferă eliberarea și/sau absorbția controlată a ingredientelor funcționale datorită dimensiunii mici a picăturilor și suprafeței mari. În plus, oferă o biodisponibilitate ridicată a compușilor activi, ceea ce este important pentru livrarea nutrienților și a substanțelor active. De asemenea, oferă proprietăți bune de formulare, deoarece sunt transparente sau vizual translucide, iar picăturile lor submicronice / nanometrice conferă o senzație fină și cremoasă în gură. Astfel, producerea nanoemulsiilor stabile este o sarcină omniprezentă în industria alimentară, de ex. pentru formularea produselor fortificate cu vitamine sau acizi grași (de ex. vitamina C, vitamina E, omega-3, omega-6, omega-9 derivați din semințe de plante sau ulei de pește) sau pentru obținerea produselor aromatizate (de ex. cu uleiuri esențiale).

Distribuția nanometrică a picăturilor unei nanoemulsii dispersate cu ultrasunete (emulsie de ulei de lavandă în apă). Emulsia a fost preparată cu sonicatorul cu sondă UP400St.

Nanoemulsii cosmetice

În special nanoemulsiile de tip apă-în-ulei (W/O) oferă diverse beneficii pentru încapsularea substanțelor hidrofile bioactive în picături nanometrice (în emulsii simple sau duble).
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre formularea fără surfactanți a emulsiilor cosmetice cu ultrasunete!

Polimerizarea în miniemulsie

Polimerizarea în miniemulsie asistată de ultrasunete se aplică în diverse procese – de la încapsularea particulelor anorganice până la sinteza particulelor de latex. Aplicarea ultrasunetelor de putere în reacții chimice precum polimerizarea, sinteza etc. este cunoscută sub numele de sonochimie.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre sonochimie, sinteza cu ultrasunete a latexului și precipitarea cu ultrasunete!

Stabilizarea emulsiilor

Deși unele nanoemulsii pot fi stabile la depozitare fără utilizarea vreunui surfactant sau emulsifiant, datorită dimensiunii și distribuției nanometrice a picăturilor, alte nanoemulsii necesită utilizarea agenților de stabilizare pentru a obține stabilitate pe termen lung și o calitate optimă a produsului. Stabilizarea poate fi realizată prin adăugarea fie de surfactanți (tenside), fie de particule solide care acționează ca stabilizatori. Emulsiile stabilizate de particule solide sunt cunoscute ca emulsii Pickering. Lactoza, albumina, lecitina, chitosanul, ciclodextrina, maltodextrina, amidonul etc. pot fi utilizate ca stabilizatori coloidali în emulsiile Pickering. Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre emulsiile Pickering generate cu ultrasunete!
Emulsificarea cu ultrasunete poate fi realizată pentru toate tipurile de emulsii. Dacă pentru o anumită emulsie este necesar un agent de stabilizare, acest lucru poate fi testat cu ușurință la scară mică.
Vă rugăm să rețineți că necesarul de surfactant crește odată cu scăderea dimensiunii picăturilor, deoarece raportul suprafață-volum (S/V) pentru sfere este dat de: S/V = 3/R. De exemplu, cu cât diametrul unei particule sau picături este mai mic, cu atât aceasta are o suprafață mai mare în raport cu volumul său.

Echipamente de emulsificare cu ultrasunete

Producerea emulsiilor submicronice și nanometrice stabile necesită echipamente cu ultrasunete puternice. Echipamentele de emulsificare cu ultrasunete Hielscher furnizează amplitudini foarte mari (până la 200µm pentru ultrasonicatoarele industriale, amplitudini mai mari la cerere) pentru a genera un câmp acustic intens.
Cu toate acestea, pentru producerea nanoemulsiilor stabile, echipamentele cu ultrasunete de putere nu sunt adesea suficiente în sine. Pe lângă o putere ultrasonică suficientă, sunt necesare controlul precis al parametrilor de proces și accesorii sofisticate (cum ar fi sonotrode, reactoare cu celulă de flux, răcire) pentru a obține picături nanometrice și o dispersie omogenă a ambelor faze, apoasă și uleioasă, una în cealaltă.
Hielscher MultiphaseCavitator: Pentru a produce emulsii superioare cu o distribuție foarte îngustă a picăturilor, Hielscher a dezvoltat un insert unic pentru celula de flux – MultiphaseCavitator. Cu acest accesoriu special pentru celula de flux, a doua fază a emulsiei este injectată continuu prin 48 de canule mici în zona de cavitație. Această tehnologie permite producerea fiabilă și eficace a unor picături nanometrice foarte mici și a unor emulsii foarte stabile.

Hielscher Ultrasonics este specializată în furnizarea de sisteme cu ultrasunete și accesorii superioare pentru rezultate optime de procesare. Experiența noastră îndelungată în procesarea cu ultrasunete și colaborarea strânsă cu clienții noștri asigură implementarea cu succes a ultrasunetelor în liniile de producție.
Pentru teste inițiale, dezvoltarea și optimizarea proceselor, oferim un laborator de proces și un centru tehnic complet echipate.
În plus, oferim consultanță aprofundată, dezvoltarea de sisteme cu ultrasunete personalizate și service tehnic temeinic pentru instalare, instruire și întreținere.