Ultrazvuková výroba stabilných nanoemulzií
- Nanoemulzie – tiež známe ako miniemulzie alebo submikrónové emulzie – Používajú sa v širokej škále aplikácií v chémii, farbách, náteroch, kozmetike, farmácii a potravinárstve.
- Ultrazvukové prístroje sú známe ako vysoko účinná a spoľahlivá technika na výrobu dlhodobo stabilných nanoemulzií.
Prečo ultrazvuk na nanoemulzifikáciu
Ultrazvuková nanoemulzifikácia je technika, ktorá využíva nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny s vysokým výkonom na vytvorenie stabilných a rovnomerných emulzií drobných kvapôčok, zvyčajne v rozmedzí 10-200 nm. Táto technika má oproti tradičným emulgačným metódam niekoľko výhod, vďaka čomu je lepšia v rôznych aplikáciách. Niektoré z týchto výhod sú:
- Jednotná veľkosť častíc: Ultrazvuková nanoemulzifikácia vytvára malé a rovnomerné kvapôčky, ktoré ponúkajú lepšiu stabilitu a biologickú dostupnosť. Tieto kvapôčky majú vysoký pomer povrchu k objemu, vďaka čomu sú reaktívnejšie a efektívnejšie v rôznych aplikáciách.
- Vysoká stabilita: Ultrazvukové nanoemulzie majú vysokú kinetickú stabilitu vďaka svojej malej veľkosti a rovnomernosti, vďaka čomu sú odolné voči koalescencii, flokulácii a sedimentácii. Vďaka tejto stabilite sú ideálne na použitie v potravinárskych, farmaceutických, kozmetických a chemických aplikáciách.
- Znížená spotreba energie: Ultrazvuková nanoemulzifikácia vyžaduje nižší energetický príkon ako tradičné emulgačné metódy, ako je homogenizácia alebo mikrofluidizácia, vďaka čomu je energeticky efektívnejšia a nákladovo efektívnejšia.
- Univerzálnosť: Ultrazvukovú nanoemulzifikáciu možno použiť na emulgáciu širokej škály materiálov vrátane lipidov, hydrofilných zlúčenín a látok nerozpustných vo vode. To z neho robí všestrannú techniku, ktorú možno použiť v rôznych aplikáciách.
Rýchly čas spracovania: Ultrazvuková nanoemulzifikácia je rýchly proces, ktorý je možné dokončiť v priebehu niekoľkých minút, vďaka čomu je vhodný pre výrobu vo veľkom meradle.
Celkovo ponúka ultrazvuková nanoemulzifikácia niekoľko výhod oproti tradičným emulgačným metódam, čo z nej robí vynikajúcu techniku pre rôzne aplikácie.
Ultrazvuková príprava čírej nanoemulzie pomocou ultrazvuku UP400ST.
Ultrazvuková tvorba nanoemulzií
Ultrazvuková emulgácia je spôsobená spojením vĺn silového ultrazvuku do kvapalného systému. Sonikáciou kvapaliny dochádza k dvom mechanizmom:
- Akustické pole vytvára vlny, ktoré prechádzajú kvapalinou a spôsobujú mikroturbulencie a medzifázový pohyb. Tým sa hraničná fáza stáva nestabilnou, takže dispergovaná (vnútorná) fáza sa nakoniec zlomí a vytvorí kvapôčky v kontinuálnej (vonkajšej) fáze.
- Aplikácia nízkofrekvenčného ultrazvuku s vysokým výkonom vytvára kavitáciu (Kentish et al. 2008). Ultrazvukovou kavitáciou sa v prostredí vytvárajú mikrobubliny alebo dutiny v dôsledku tlakových cyklov ultrazvukovej vlny. Mikrobubliny / dutiny rastú počas niekoľkých vlnových cyklov, kým sa prudko nezrútia. Táto implózia bublín spôsobuje lokálne extrémne podmienky, ako je veľmi vysoký strih, prúdy kvapaliny a extrémne rýchlosti zahrievania a chladenia. (Suslick 1999).
Tieto extrémne sily rozbíjajú primárne kvapôčky dispergovanej (vnútornej) fázy na kvapôčku nanoveľkosti a homogénne ich zmiešajú do kontinuálnej (vonkajšej) fázy.
Prečítajte si viac o účinkoch ultrazvukovej kavitácie na emulgáciu!
Farmaceutické nanoemulzie
Lipidové miniemulzie – Vyrobené spoločnosťou Ultrasonics – sú široko používané ako nosič farmakologických látok vo farmaceutických formuláciách. Napríklad miniemulzie môžu pôsobiť ako parenterálny nosič liečiv alebo zariadenie na podávanie liekov na cieľové tkanivá. Okrem vysokej biologickej dostupnosti zapuzdrených účinných látok spočívajú výhody miniemulzií v ich vysokej biokompatibilite, biologickej odbúrateľnosti, stabilite a jednoduchosti výroby vo veľkom rozsahu. Vďaka svojim štrukturálnym vlastnostiam môžu obsahovať hydrofóbne aj amfipatické molekuly. Ultrazvukom pripravené nanoemulzie boli nabité tokoferolmi, vitamínmi, kurkurmínom a mnohými ďalšími farmakologickými látkami.
Ultrazvukové systémy spoločnosti Hielscher sú spoľahlivými emulgátormi na prípravu nanoemulzií uložených liečivami. Pre ultrazvukovú emulgáciu ponúka spoločnosť Hielscher rôzne príslušenstvo na optimalizáciu procesu emulgácie. Hielschers MultiPhaseCavitator je jedinečný doplnok pre ultrazvukové prietokové články, kde sa druhá fáza vstrekuje ako veľmi úzky prúd priamo do ultrazvukovej zóny emulgácie horúceho miesta.
Ultrazvuk UP400St na formuláciu farmaceutických nanosuspenzií so zvýšenou biologickou dostupnosťou.
Potravinárske nanoemulzie
Nanoemulzie ponúkajú rôzne výhody pri formulovaní potravinárskych výrobkov. Nanoemulzie vykazujú dobrú stabilitu pri gravitačnej separácii, flokulácii, koalescencii a vďaka svojej malej veľkosti kvapiek a veľkej ploche ponúkajú riadené uvoľňovanie a/alebo absorpciu funkčných zložiek. Okrem toho ponúkajú vysokú biologickú dostupnosť účinných látok, čo je dôležité pre dodávanie živín a účinných látok. Okrem toho ponúkajú dobré vlastnosti zloženia, pretože sú priehľadné alebo vizuálne priesvitné a ich kvapôčky submikrónovej / nanoveľkosti spôsobujú hladký a krémový pocit v ústach. Výroba stabilných nanoemulzií je preto pre potravinársky priemysel všadeprítomnou úlohou, napr. na prípravu produktov obohatených o vitamíny alebo mastné kyseliny (napr. vitamín C, vitamín E, omega-3, omega-6, omega-9 získané z rastlinných semien alebo rybieho oleja) alebo na výrobu ochutených produktov (napr. s éterickými olejmi).
Rozloženie nanokvapôčok ultrazvukovo dispergovanej nanoemulzie (levanduľová emulzia olej vo vode). Bola pripravená emulzia s ultrazvukovou sondou UP400St.
Kozmetické nanoemulzie
Najmä nanoemulzie voda v oleji (W/O) ponúkajú rôzne výhody pri zapuzdrovaní bioaktívnej hydrofilnej látky do kvapôčok v nanomierke (v jednoduchých alebo dvojitých emulziách).
Kliknite sem a prečítajte si viac o formulácii kozmetických emulzií s ultrazvukom bez povrchovo aktívnych látok!
Miniemulzná polymerizácia
Ultrazvukom asistovaná miniemulzná polymerizácia sa aplikuje na rôzne procesy – od zapuzdrenia anorganických častíc až po syntézu latexových častíc. Aplikácia výkonového ultrazvuku na chemické reakcie, ako je polymerizácia, syntéza atď., je známa ako sonochémia.
Kliknite sem a prečítajte si viac o Sonochémia, ultrazvuková syntéza latexu a ultrazvukové zrážanie!
Stabilizácia emulzie
Hoci niektoré nanoemulzie môžu byť stabilné bez použitia akýchkoľvek povrchovo aktívnych látok alebo emulgátorov kvôli veľkosti a distribúcii kvapiek v nanomierke, iné nanoemulzie vyžadujú použitie stabilizačných činidiel na dosiahnutie dlhodobej stability a optimálnej kvality produktu. Stabilizáciu je možné dosiahnuť pridaním povrchovo aktívnych látok (tenzidov) alebo pevných častíc, ktoré pôsobia ako stabilizátory. Emulzie, ktoré sú stabilizované pevnými časticami, sú známe ako Pickeringove emulzie. Laktóza, albumín, lecitín, chitosan, cyklodextrín, maltodextrín, škrob atď. môžu byť použité ako koloidné stabilizátory v Pickeringových emulziách. Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukom generovaných emulziách Pickering!
Ultrazvukovú emulgáciu je možné vykonať pre všetky typy emulzií. Ak je pre konkrétnu emulziu potrebné stabilizačné činidlo, dá sa ľahko otestovať v malom meradle.
Upozorňujeme, že množstvo požadovanej povrchovo aktívnej látky sa zvyšuje so zmenšujúcou sa veľkosťou kvapiek, pretože pomer povrchu k objemu (S/V) pre guľôčky je daný vzťahom: S/V = 3/R. Napríklad, čím menší je priemer častice alebo kvapôčky, tým väčšiu plochu má vzhľadom na svoj objem.
Ultrazvukové emulgačné zariadenie
Výroba stabilných submikronových a nanoemulzií si vyžaduje výkonné ultrazvukové zariadenie. Ultrazvukové emulgačné zariadenie Hielscher poskytuje veľmi vysoké amplitúdy (až 200 μm pre priemyselné ultrazvukové prístroje, vyššie amplitúdy na požiadanie) na vytvorenie intenzívneho akustického poľa.
Na výrobu stabilných nanoemulzií však samotné výkonové ultrazvukové zariadenie často nestačí. Okrem dostatočného ultrazvukového výkonu je na získanie nanokvapiek a homogénnej disperzie vodnej a olejovej fázy do seba potrebná presná kontrola parametrov procesu a sofistikované príslušenstvo (ako sú sonotrody, reaktory prietokových článkov, chladenie).
Hielscherov viacfázový kavitátor: Na výrobu vynikajúcich emulzií s veľmi úzkou distribúciou kvapiek vyvinula spoločnosť Hielscher jedinečnú vložku prietokových buniek – MultiPhaseCavitator. S týmto špeciálnym doplnkom prietokovej bunky sa druhá fáza emulzie nepretržite vstrekuje cez 48 malých kanyl do kavitačnej zóny. Táto technológia umožňuje spoľahlivú a efektívnu výrobu veľmi malých kvapôčok nanoveľkosti a vysoko stabilných emulzií.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics sa špecializuje na dodávky špičkových ultrazvukových systémov a príslušenstva pre optimálne výsledky spracovania. Naše dlhoročné skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním a úzka spolupráca s našimi klientmi zabezpečujú úspešnú implementáciu ultrazvuku do výrobných liniek.
Pre počiatočné testy, vývoj procesov a optimalizáciu procesov ponúkame plne vybavené procesné laboratórium a technické centrum.
Okrem toho ponúkame hĺbkové poradenstvo, vývoj ultrazvukových systémov na mieru a hlboký technický servis pre inštaláciu, školenie a údržbu.
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Emulzie, veľkosť kvapiek a povrchovo aktívne látky
Emulzie sú definované ako dve nemiešateľné kvapaliny: Jedna z kvapalín – takzvaná dispergovaná alebo vnútorná fáza – je rozptýlená ako guľovité kvapôčky v inej kvapaline, známa ako kontinuálna alebo vonkajšia fáza. Najvýznamnejšie kvapaliny používané na vytvorenie emulzie sú olej a voda. Keď je olejová fáza dispergovaná vo vodnej/vodnej fáze, systém je emulzia olej vo vode, zatiaľ čo keď je voda/vodná fáza dispergovaná v olejovej fáze, je to emulzia voda v oleji. Emulzie sa rozlišujú podľa veľkosti častíc a termodynamickej stability ako makroemulzie, mikroemulzie a nanoemulzie.
Nanoemulzie
Nanoemulzie sú nanočasticové disperzie, ktoré pozostávajú z kvapôčok nanoveľkosti. Vysoké šmykové sily silového ultrazvuku rozbíjajú kvapôčky tak, že sa zredukujú na submikrónový a nanopriemer. Vo všeobecnosti menšie veľkosti kvapiek vedú k väčšej stabilite emulzie. Nanoemulzie možno rozlíšiť ako O/W (olej vo vode), W/O (voda v oleji) alebo ako viacnásobné/dvojité emulzie, ako sú W/O/W a O/W/O. Nanoemulzie sú priehľadné alebo dokonca priesvitné (vo viditeľnom spektre) v závislosti od konzistencie a veľkosti kvapiek. Nanoemulzie sú vo všeobecnosti definované veľkosťou kvapôčok medzi 20 a 200 nm. Pri klesajúcej veľkosti kvapiek klesá sklon emulzie ku koalescencii (znižuje dozrievanie Ostwalda).
Nanomateriály a nanoemulzie sa vyznačujú fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré sa líšia od mikroemulzií. Nanočastice vykazujú buď úplne odlišné vlastnosti, alebo sú ich typické vlastnosti vyjadrené vo veľmi extrémnej forme. Viditeľný vzhľad nanoemulzií má iný vzhľad ako emulzie veľkosti mikrónov, pretože kvapôčky sú príliš malé na to, aby interferovali s optickými vlnovými dĺžkami viditeľného spektra. Preto nanoemulzie vykazujú veľmi malý rozptyl svetla a zdajú sa byť priehľadné alebo opticky priesvitné.
Veľkosť kvapiek emulzie je ovplyvnená zložením olejovej fázy, medzifázovými vlastnosťami a viskozitou kontinuálnej aj dispergovanej fázy, typom emulgátora/povrchovo aktívnej látky, šmykovou rýchlosťou počas emulgácie, ako aj rozpustnosťou olejovej fázy vo vode.
Nanoemulzie sú široko používané v rôznych aplikáciách, ako je podávanie liekov, potraviny & nápoje, kozmetika, farmácia a materiálová veda & syntéza.
povrchovo aktívne látky
Emulgátory sú základným faktorom na prípravu stabilnej emulzie / nanoemulzie. Emulgátory sú povrchovo aktívne látky, ktoré vytvárajú ochrannú vrstvu okolo kvapôčky a znižujú medzifázové napätie, čím zabraňujú dozrievaniu Ostwaldu, koalescencii a krémovaniu.
Druhy povrchovo aktívnych látok:
- Povrchovo aktívne látky s malými molekulami: Neiónové emulgátory, ako sú Tween a Span, vykazujú nízku toxicitu a dráždivosť pri perorálnom, parenterálnom a dermálnom podaní, a preto sú uprednostňované pred iónovými emulgátormi. Tween a Span sú preferované stabilizátory pre emulzné formulácie v potravinárskom, farmaceutickom a kozmetickom priemysle.
Tíneči: Tween 20/60/80 sú známe ako polysorbát 20/60/80 (PEG-20 dehydratovaný sorbieritový monolaurát, PEG-20 dehydratovaný sorbieritový monostearát, polyoxyetylén sorbitan monooleát). Sú to neiónové povrchovo aktívne látky / emulgátory odvodené od sorbitolu. Ľahko sa rozpúšťajú vo vode, etanole, metanole alebo etylactáte, ale len trochu v minerálnom oleji.
Zahŕňa: Span20/40/60/80 sú estery mastných kyselín / estery sorbitánu, čo sú neiónové povrchovo aktívne látky s emulgačnými, dispergačnými a zmáčacími vlastnosťami. Povrchovo aktívne látky sa vyrábajú dehydratáciou sorbitolu. - Fosfolipidy: vaječný žĺtok, sójový alebo mliečny lecitín
- Amfifilné proteíny: srvátkový proteínový izolát, kazeinát
- Amfifilné polysacharidy: arabská guma, modifikované škroby
Literatúra / Referencie
- 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.