Ультразвуковое производство стабильных наноэмульсий

• Наноэмульсии – также известные как миниэмульсии или субмикронные эмульсии – используются в самых разных областях: химии, производстве красок и покрытий, косметике, фармацевтике и пищевой промышленности.
• Ультразвуковые аппараты известны как высокоэффективное и надёжное средство получения наноэмульсий, сохраняющих стабильность в течение длительного времени.

Почему стоит использовать ультразвук для наноэмульгирования

Ультразвуковое наноэмульгирование – это метод, в котором низкочастотные ультразвуковые волны высокой мощности используются для создания стабильных и однородных эмульсий из мельчайших капель, обычно размером в диапазоне 10–200 nm. Этот метод имеет несколько преимуществ перед традиционными методами эмульгирования, благодаря которым он превосходит их в различных областях применения. Вот некоторые из этих преимуществ:

• Однородный размер частиц: Ультразвуковое наноэмульгирование позволяет получать мелкие капли однородного размера, обеспечивающие более высокую стабильность и биодоступность. Эти капли имеют высокое отношение площади поверхности к объёму, что повышает их реакционную способность и эффективность в различных областях применения.
• Высокая стабильность: Ультразвуковые наноэмульсии обладают высокой кинетической стабильностью благодаря малому размеру и однородности капель, что делает их устойчивыми к коалесценции, флокуляции и седиментации. Эта стабильность делает их идеальными для применения в пищевой, фармацевтической, косметической и химической промышленности.
• Сниженное энергопотребление: Ультразвуковое наноэмульгирование требует меньших затрат энергии, чем традиционные методы эмульгирования, такие как гомогенизация или микрофлюидизация, что делает его более энергоэффективным и экономически выгодным.
• Универсальность: Ультразвуковое наноэмульгирование можно использовать для эмульгирования широкого спектра материалов, включая липиды, гидрофильные соединения и нерастворимые в воде вещества. Это делает его универсальным методом, который можно использовать в различных областях.
  Короткое время обработки: Ультразвуковое наноэмульгирование – это быстрый процесс, который можно завершить за несколько минут, что делает его пригодным для крупномасштабного производства.

В целом ультразвуковое наноэмульгирование имеет несколько преимуществ перед традиционными методами эмульгирования, благодаря которым оно превосходит их в различных областях применения.
 

Ультразвуковое формирование наноэмульсий

Ультразвуковое эмульгирование происходит за счёт передачи волн мощного ультразвука в жидкую систему. При обработке жидкости ультразвуком действуют два механизма:

1. Акустическое поле генерирует волны, которые распространяются через жидкость и вызывают микротурбулентность и движение на межфазной границе. В результате пограничная фаза становится нестабильной, так что дисперсная (внутренняя) фаза в конечном итоге разрушается и образует капли в непрерывной (внешней) фазе.
2. Применение низкочастотного ультразвука высокой мощности вызывает кавитацию (Kentish et al. 2008). При ультразвуковой кавитации в среде образуются микропузырьки или полости вследствие циклических изменений давления ультразвуковой волны. Микропузырьки / полости растут в течение нескольких циклов волны, пока не происходит их резкое схлопывание. Это схлопывание пузырьков создаёт локальные экстремальные условия, такие как очень интенсивный сдвиг, струи жидкости и чрезвычайно высокие скорости нагрева и охлаждения. (Suslick 1999).

Эти экстремальные силы дробят первичные капли дисперсной (внутренней) фазы до капель наноразмера и равномерно смешивают их с непрерывной (внешней) фазой.
Узнайте здесь больше о влиянии ультразвуковой кавитации на эмульгирование!

Фармацевтические наноэмульсии

Липидные миниэмульсии – получаемые с помощью ультразвука – широко применяются в качестве носителей фармакологических веществ в фармацевтических препаратах. Например, миниэмульсии могут служить носителем лекарственных средств для парентерального введения или средством доставки лекарств к тканям-мишеням. Помимо высокой биодоступности инкапсулированных активных соединений, преимущества миниэмульсий заключаются в их высокой биосовместимости, биоразлагаемости, стабильности и простоте крупномасштабного производства. Благодаря своим структурным свойствам они могут включать как гидрофобные, так и амфипатические молекулы. В наноэмульсии, полученные с помощью ультразвука, вводили токоферолы, витамины, куркумин и многие другие фармакологические вещества.
Ультразвуковые системы Hielscher – надёжные эмульгаторы для получения наноэмульсий, содержащих лекарственные вещества. Для ультразвукового эмульгирования Hielscher предлагает различные принадлежности, позволяющие оптимизировать процесс. MultiphaseCavitator от Hielscher – уникальное дополнительное устройство для ультразвуковых проточных ячеек, в котором вторая фаза вводится очень узкой струёй непосредственно в зону наиболее интенсивного ультразвукового воздействия при эмульгировании.

Наноэмульсии для пищевых продуктов

Наноэмульсии обладают различными преимуществами при разработке рецептур пищевых продуктов. Наноэмульсии демонстрируют хорошую устойчивость к гравитационному расслоению, флокуляции и коалесценции и обеспечивают контролируемое высвобождение и/или всасывание функциональных ингредиентов благодаря малому размеру капель и большой площади поверхности. Кроме того, они обеспечивают высокую биодоступность активных соединений, что важно для доставки питательных веществ и активных компонентов. Они также обладают хорошими свойствами для составления рецептур, поскольку прозрачны или визуально полупрозрачны, а их капли субмикронного / наноразмера создают во рту ощущение гладкой кремообразной текстуры. Поэтому производство стабильных наноэмульсий – повсеместная задача пищевой промышленности, например при разработке продуктов, обогащённых витаминами или жирными кислотами (например, витамином C, витамином E, omega-3, omega-6, omega-9, полученными из масла семян растений или рыбьего жира), либо при производстве ароматизированных продуктов (например, с эфирными маслами).

Распределение наноразмерных капель в наноэмульсии, диспергированной ультразвуком (эмульсия лавандового масла в воде). Эмульсия была получена с помощью ультразвукового зонда UP400St.

Косметические наноэмульсии

В особенности наноэмульсии типа «вода в масле» (W/O) обладают различными преимуществами для инкапсуляции биоактивного гидрофильного вещества в наноразмерные капли (в простых или двойных эмульсиях).
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о приготовлении косметических эмульсий без поверхностно-активных веществ с помощью ультразвука!

Миниэмульсионная полимеризация

Миниэмульсионная полимеризация с применением ультразвука используется в различных процессах – от инкапсуляции неорганических частиц до синтеза частиц латекса. Применение мощного ультразвука для проведения химических реакций, таких как полимеризация, синтез и т. д., известно как сонохимия.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о сонохимии, ультразвуковом синтезе латекса и ультразвуковом осаждении!

Стабилизация эмульсий

Хотя некоторые наноэмульсии могут сохранять стабильность при хранении без использования каких-либо поверхностно-активных веществ или эмульгаторов благодаря наноразмеру и распределению капель, другие наноэмульсии требуют применения стабилизирующих веществ для обеспечения длительной стабильности и оптимального качества продукта. Стабилизацию можно осуществить добавлением либо поверхностно-активных веществ (тензидов), либо твёрдых частиц, действующих как стабилизаторы. Эмульсии, стабилизированные твёрдыми частицами, известны как эмульсии Пикеринга. Лактоза, альбумин, лецитин, хитозан, циклодекстрин, мальтодекстрин, крахмал и т. д. могут использоваться в качестве коллоидных стабилизаторов в эмульсиях Пикеринга. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об эмульсиях Пикеринга, получаемых с помощью ультразвука!
Ультразвуковое эмульгирование можно проводить для всех типов эмульсий. Требуется ли стабилизирующее вещество для конкретной эмульсии, можно легко проверить в небольшом масштабе.
Обратите внимание, что количество необходимого поверхностно-активного вещества увеличивается с уменьшением размера капель, поскольку отношение площади поверхности к объёму (S/V) для сфер определяется формулой: S/V = 3/R. Например, чем меньше диаметр частицы или капли, тем больше площадь её поверхности относительно её объёма.

Оборудование для ультразвукового эмульгирования

Производство стабильных субмикронных и наноэмульсий требует мощного ультразвукового оборудования. Оборудование Hielscher для ультразвукового эмульгирования обеспечивает очень высокие амплитуды (до 200µm для промышленных ультразвуковых аппаратов, более высокие амплитуды – по запросу) для создания интенсивного акустического поля.
Однако для производства стабильных наноэмульсий одного лишь оборудования мощного ультразвука часто недостаточно. Помимо достаточной ультразвуковой мощности, для получения наноразмерных капель и однородного диспергирования водной и масляной фаз друг в друге необходимы точный контроль параметров процесса и технически совершенные принадлежности (такие как сонотроды, реакторы с проточными ячейками, средства охлаждения).
Hielscher MultiphaseCavitator: Для получения превосходных эмульсий с очень узким распределением капель по размерам Hielscher разработала уникальную вставку для проточной ячейки – MultiphaseCavitator. С помощью этого специального дополнительного устройства для проточной ячейки вторая фаза эмульсии непрерывно вводится через 48 небольших канюль в зону кавитации. Эта технология позволяет надёжно и эффективно получать очень мелкие наноразмерные капли и высокостабильные эмульсии.

Hielscher Ultrasonics специализируется на поставке превосходных ультразвуковых систем и принадлежностей для достижения оптимальных результатов обработки. Наш многолетний опыт ультразвуковой обработки и тесное сотрудничество с клиентами обеспечивают успешное внедрение ультразвука в производственные линии.
Для первоначальных испытаний, разработки и оптимизации процессов мы предлагаем полностью оборудованную технологическую лабораторию и технический центр.
Кроме того, мы предлагаем подробные консультации, разработку ультразвуковых систем по индивидуальным требованиям и всестороннее техническое обслуживание в области установки, обучения и технического ухода.