Ultrazvuková výroba stabilných nanoemulzií

• Nanoemulzie – známe aj ako miniemulzie alebo submikrónové emulzie – sa používajú v širokej škále aplikácií v chémii, náterových farbách, povlakoch, kozmetike, farmácii a potravinárstve.
• Ultrazvukové prístroje sú známe ako vysoko účinná a spoľahlivá technika výroby dlhodobo stabilných nanoemulzií.

Prečo používať ultrazvuk na nanoemulgáciu

Ultrazvuková nanoemulgácia je technika, ktorá využíva nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny s vysokým výkonom na vytváranie stabilných a rovnomerných emulzií drobných kvapôčok, zvyčajne v rozsahu 10–200 nm. Táto technika má oproti tradičným metódam emulgácie niekoľko výhod, vďaka ktorým je pri rôznych aplikáciách lepšia. Medzi tieto výhody patria:

• Jednotná veľkosť častíc: Ultrazvuková nanoemulgácia vytvára malé kvapôčky jednotnej veľkosti, ktoré poskytujú lepšiu stabilitu a biologickú dostupnosť. Tieto kvapôčky majú vysoký pomer plochy povrchu k objemu, vďaka čomu sú pri rôznych aplikáciách reaktívnejšie a účinnejšie.
• Vysoká stabilita: Ultrazvukové nanoemulzie majú vďaka malej veľkosti a rovnomernosti kvapôčok vysokú kinetickú stabilitu, vďaka ktorej sú odolné voči koalescencii, flokulácii a sedimentácii. Táto stabilita ich predurčuje na použitie v potravinárskych, farmaceutických, kozmetických a chemických aplikáciách.
• Znížená spotreba energie: Ultrazvuková nanoemulgácia vyžaduje menší prísun energie než tradičné metódy emulgácie, ako je homogenizácia alebo mikrofluidizácia, vďaka čomu je energeticky účinnejšia a nákladovo efektívnejšia.
• Všestrannosť: Ultrazvukovú nanoemulgáciu možno použiť na emulgovanie širokej škály materiálov vrátane lipidov, hydrofilných zlúčenín a látok nerozpustných vo vode. Vďaka tomu je všestrannou technikou, ktorú možno použiť v rôznych aplikáciách.
  Krátky čas spracovania: Ultrazvuková nanoemulgácia je rýchly proces, ktorý možno dokončiť v priebehu niekoľkých minút, vďaka čomu je vhodný na veľkokapacitnú výrobu.

Celkovo ultrazvuková nanoemulgácia ponúka oproti tradičným metódam emulgácie niekoľko výhod, vďaka ktorým je lepšou technikou pre rôzne aplikácie.
 

Ultrazvuková tvorba nanoemulzií

Ultrazvuková emulgácia vzniká v dôsledku prenosu vĺn výkonového ultrazvuku do kvapalného systému. Pri pôsobení ultrazvuku na kvapalinu prebiehajú dva mechanizmy:

1. Akustické pole vytvára vlny, ktoré sa šíria kvapalinou a spôsobujú mikroturbulencie a pohyb na rozhraní. Hraničná fáza sa tým stáva nestabilnou, takže dispergovaná (vnútorná) fáza sa napokon rozpadá a vytvára kvapôčky v kontinuálnej (vonkajšej) fáze.
2. Použitie nízkofrekvenčného ultrazvuku s vysokým výkonom vyvoláva kavitáciu (Kentish et al. 2008). Pri ultrazvukovej kavitácii sa v médiu v dôsledku tlakových cyklov ultrazvukovej vlny vytvárajú mikrobubliny alebo dutiny. Mikrobubliny / dutiny rastú počas niekoľkých cyklov vlny, až kým prudko neskolabujú. Táto implózia bublín spôsobuje lokálne extrémne podmienky, ako sú veľmi vysoký šmyk, prúdy kvapaliny a extrémne rýchlosti ohrevu a ochladzovania. (Suslick 1999).

Tieto extrémne sily rozbíjajú primárne kvapôčky dispergovanej (vnútornej) fázy na kvapôčky s nanometrovou veľkosťou a homogénne ich vmiešavajú do kontinuálnej (vonkajšej) fázy.
Tu si prečítajte viac o účinkoch ultrazvukovej kavitácie na emulgáciu!

Farmaceutické nanoemulzie

Lipidové miniemulzie – vyrábané pomocou ultrazvuku – sa vo veľkej miere používajú ako nosiče farmakologických látok vo farmaceutických formuláciách. Miniemulzie môžu napríklad slúžiť ako nosiče liečiv na parenterálne podávanie alebo ako systémy na dodávanie liečiv do cieľových tkanív. Okrem vysokej biologickej dostupnosti enkapsulovaných účinných látok spočívajú výhody miniemulzií v ich vysokej biokompatibilite, biologickej odbúrateľnosti, stabilite a jednoduchej výrobe vo veľkom meradle. Vďaka svojim štruktúrnym vlastnostiam môžu obsahovať hydrofóbne aj amfipatické molekuly. Do ultrazvukovo pripravených nanoemulzií boli začlenené tokoferoly, vitamíny, kurkumín a mnohé ďalšie farmakologické látky.
Ultrazvukové systémy Hielscher sú spoľahlivými emulgátormi na prípravu nanoemulzií obsahujúcich liečivá. Na ultrazvukovú emulgáciu ponúka Hielscher rôzne príslušenstvo na optimalizáciu procesu emulgácie. Hielscher MultiPhaseCavitator je jedinečný doplnok pre ultrazvukové prietokové cely, v ktorých sa druhá fáza vstrekuje vo forme veľmi úzkeho prúdu priamo do oblasti intenzívneho pôsobenia ultrazvuku pri emulgácii.

Nanoemulzie vhodné na potravinárske použitie

Nanoemulzie ponúkajú rôzne výhody pri príprave potravinárskych výrobkov. Nanoemulzie vykazujú dobrú stabilitu voči gravitačnej separácii, flokulácii a koalescencii a vďaka malej veľkosti kvapôčok a veľkému povrchu umožňujú riadené uvoľňovanie a/alebo vstrebávanie funkčných zložiek. Okrem toho poskytujú vysokú biologickú dostupnosť účinných látok, čo je dôležité pre dodávanie živín a účinných látok. Navyše majú dobré formulačné vlastnosti, pretože sú priehľadné alebo na pohľad priesvitné a ich kvapôčky submikrónovej alebo nanometrovej veľkosti vytvárajú v ústach jemný a krémový pocit. Výroba stabilných nanoemulzií je preto v potravinárskom priemysle všadeprítomnou úlohou, napr. pri príprave výrobkov obohatených o vitamíny alebo mastné kyseliny (napr. vitamín C, vitamín E omega-3, omega-6, omega-9 získané z oleja z rastlinných semien alebo z rybieho oleja) alebo pri výrobe ochutených výrobkov (napr. s éterickými olejmi).

Distribúcia kvapôčok nanometrovej veľkosti v ultrazvukovo dispergovanej nanoemulzii (emulzia levanduľového oleja vo vode). Emulzia bola pripravená pomocou ultrazvukovej sondy UP400St.

Kozmetické nanoemulzie

Najmä nanoemulzie typu voda v oleji (W/O) ponúkajú rôzne výhody pri enkapsulácii bioaktívnej hydrofilnej látky do kvapôčok nanometrovej veľkosti (v jednoduchých alebo dvojitých emulziách).
Kliknite sem a prečítajte si viac o príprave kozmetických emulzií bez tenzidov pomocou ultrazvuku!

Miniemulzná polymerizácia

Ultrazvukom podporovaná miniemulzná polymerizácia sa využíva v rôznych procesoch – od enkapsulácie anorganických častíc až po syntézu latexových častíc. Použitie výkonového ultrazvuku pri chemických reakciách, ako sú polymerizácia, syntéza atď., je známe ako sonochémia.
Kliknite sem a prečítajte si viac o sonochémii, ultrazvukovej syntéze latexu a ultrazvukovom zrážaní!

Stabilizácia emulzií

Hoci niektoré nanoemulzie môžu byť vďaka nanometrovej veľkosti a distribúcii kvapôčok stabilné počas skladovania bez použitia akýchkoľvek tenzidov alebo emulgátorov, iné nanoemulzie vyžadujú použitie stabilizačných látok na dosiahnutie dlhodobej stability a optimálnej kvality výrobku. Stabilizáciu možno dosiahnuť pridaním povrchovo aktívnych látok (tenzidov) alebo pevných častíc, ktoré pôsobia ako stabilizátory. Emulzie stabilizované pevnými časticami sú známe ako Pickeringove emulzie. Laktóza, albumín, lecitín, chitozán, cyklodextrín, maltodextrín, škrob atď. sa môžu používať ako koloidné stabilizátory v Pickeringových emulziách. Kliknite sem a dozviete sa viac o Pickeringových emulziách vytvorených pomocou ultrazvuku!
Ultrazvukovú emulgáciu možno vykonávať pri všetkých typoch emulzií. To, či je pre konkrétnu emulziu potrebný stabilizátor, možno jednoducho otestovať v malom meradle.
Upozorňujeme, že potrebné množstvo tenzidu sa zvyšuje so zmenšujúcou sa veľkosťou kvapôčok, pretože pomer povrchu k objemu (S/V) je pre gule daný vzťahom: S/V = 3/R. Napríklad čím menší je priemer častice alebo kvapôčky, tým väčší je jej povrch vzhľadom na jej objem.

Zariadenia na ultrazvukovú emulgáciu

Výroba stabilných submikrónových emulzií a nanoemulzií vyžaduje výkonné ultrazvukové zariadenia. Zariadenia Hielscher na ultrazvukovú emulgáciu poskytujú veľmi vysoké amplitúdy (až 200µm pri priemyselných ultrazvukových zariadeniach, vyššie amplitúdy na požiadanie) na vytvorenie intenzívneho akustického poľa.
Na výrobu stabilných nanoemulzií však samotné zariadenie na výkonový ultrazvuk často nestačí. Okrem dostatočného ultrazvukového výkonu sú na získanie kvapôčok nanometrovej veľkosti a homogénneho vzájomného rozptýlenia vodnej a olejovej fázy potrebné presné riadenie procesných parametrov a sofistikované príslušenstvo (napríklad sonotródy, reaktory s prietokovou celou, chladenie).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Na výrobu emulzií vynikajúcej kvality s veľmi úzkou distribúciou veľkosti kvapôčok vyvinula spoločnosť Hielscher jedinečnú vložku do prietokovej cely – MultiPhaseCavitator. Pomocou tohto špeciálneho doplnku prietokovej cely sa druhá fáza emulzie nepretržite vstrekuje cez 48 malých kanýl do kavitačnej zóny. Táto technológia umožňuje spoľahlivú a účinnú výrobu veľmi malých kvapôčok nanometrovej veľkosti a vysoko stabilných emulzií.

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics sa špecializuje na dodávku špičkových ultrazvukových systémov a príslušenstva na dosiahnutie optimálnych výsledkov spracovania. Naše dlhoročné skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním a úzka spolupráca s našimi klientmi zaručujú úspešné zavedenie ultrazvuku do výrobných liniek.
Na úvodné skúšky, vývoj a optimalizáciu procesov ponúkame plne vybavené procesné laboratórium a technické centrum.
Okrem toho ponúkame podrobné poradenstvo, vývoj ultrazvukových systémov na mieru a odborný technický servis v oblasti inštalácie, školenia a údržby.