Ultrazvočna proizvodnja stabilnih nanoemulzij

• Nanoemulzije – znane tudi kot miniemulzije ali submikronske emulzije – se uporabljajo na številnih področjih v kemiji, barvah, premazih, kozmetiki, farmaciji in živilstvu.
• Ultrazvočne naprave so znane kot zelo učinkovita in zanesljiva tehnika za proizvodnjo dolgoročno stabilnih nanoemulzij.

Zakaj ultrazvok za nanoemulgiranje

Ultrazvočno nanoemulgiranje je tehnika, ki uporablja nizkofrekvenčne ultrazvočne valove visoke moči za ustvarjanje stabilnih in enakomernih emulzij drobnih kapljic, običajno v območju 10–200 nm. Ta tehnika ima več prednosti pred tradicionalnimi metodami emulgiranja, zaradi katerih je boljša pri različnih uporabah. Nekatere od teh prednosti so:

• Enakomerna velikost delcev: Ultrazvočno nanoemulgiranje ustvarja majhne in enakomerne kapljice, ki zagotavljajo boljšo stabilnost in biološko uporabnost. Te kapljice imajo veliko razmerje med površino in prostornino, zato so pri različnih uporabah bolj reaktivne in učinkovite.
• Visoka stabilnost: Ultrazvočne nanoemulzije imajo zaradi majhne velikosti in enakomernosti visoko kinetično stabilnost, zaradi česar so odporne proti koalescenci, flokulaciji in sedimentaciji. Zaradi te stabilnosti so idealne za uporabo v živilstvu, farmaciji, kozmetiki in kemiji.
• Manjša poraba energije: Ultrazvočno nanoemulgiranje zahteva manjši vnos energije kot tradicionalne metode emulgiranja, kot sta homogenizacija ali mikrofluidizacija, zato je energijsko učinkovitejše in stroškovno ugodnejše.
• Vsestranskost: Ultrazvočno nanoemulgiranje se lahko uporablja za emulgiranje številnih materialov, vključno z lipidi, hidrofilnimi spojinami in v vodi netopnimi snovmi. Zato je vsestranska tehnika, ki se lahko uporablja na različnih področjih.
  Kratek čas obdelave: Ultrazvočno nanoemulgiranje je hiter postopek, ki ga je mogoče zaključiti v nekaj minutah, zato je primerno za proizvodnjo v velikem obsegu.

Na splošno ultrazvočno nanoemulgiranje ponuja več prednosti pred tradicionalnimi metodami emulgiranja, zaradi česar je boljša tehnika za različne uporabe.
 

Ultrazvočno nastajanje nanoemulzij

Ultrazvočno emulgiranje povzroči sklopitev valov ultrazvoka visoke moči s tekočim sistemom. Pri sonikaciji tekočine se pojavita dva mehanizma:

1. Akustično polje ustvarja valove, ki potujejo skozi tekočino ter povzročajo mikroturbulence in gibanje na medfazni površini. Pri tem mejna faza postane nestabilna, tako da se dispergirana (notranja) faza sčasoma razbije in tvori kapljice v kontinuirni (zunanji) fazi.
2. Uporaba nizkofrekvenčnega ultrazvoka visoke moči povzroča kavitacijo (Kentish et al. 2008). Pri ultrazvočni kavitaciji v mediju zaradi tlačnih ciklov ultrazvočnega vala nastajajo mikromehurčki ali votline. Mikromehurčki / votline rastejo več valovnih ciklov, dokler se silovito ne sesedejo. Ta implozija mehurčkov povzroča lokalno ekstremne razmere, kot so zelo velik strig, tekočinski curki ter izjemne hitrosti segrevanja in ohlajanja. (Suslick 1999).

Te ekstremne sile razbijejo primarne kapljice dispergirane (notranje) faze v kapljice nanovelikosti in jih homogeno vmešajo v kontinuirno (zunanjo) fazo.
Tukaj preberite več o učinkih ultrazvočne kavitacije na emulgiranje!

Farmacevtske nanoemulzije

Lipidne miniemulzije – proizvedene z ultrazvokom – se pogosto uporabljajo kot nosilci farmakoloških učinkovin v farmacevtskih formulacijah. Miniemulzije lahko na primer delujejo kot parenteralni nosilci zdravil ali sistemi za dostavo zdravil v ciljna tkiva. Poleg visoke biološke uporabnosti enkapsuliranih aktivnih spojin so prednosti miniemulzij njihova visoka biokompatibilnost, biorazgradljivost, stabilnost in enostavna proizvodnja v velikem obsegu. Zaradi svojih strukturnih lastnosti lahko vključujejo tako hidrofobne kot amfipatične molekule. Ultrazvočno pripravljene nanoemulzije so bile napolnjene s tokoferoli, vitamini, kurkuminom in številnimi drugimi farmakološkimi snovmi.
Ultrazvočni sistemi Hielscher so zanesljivi emulgatorji za pripravo nanoemulzij z vsebnostjo zdravil. Za ultrazvočno emulgiranje Hielscher ponuja različne dodatke za optimizacijo procesa emulgiranja. Hielscher MultiPhaseCavitator je edinstven dodatek za ultrazvočne pretočne celice, pri katerem se druga faza vbrizgava kot zelo ozek tok neposredno v območje največje ultrazvočne intenzivnosti pri emulgiranju.

Nanoemulzije za uporabo v živilih

Nanoemulzije ponujajo različne prednosti pri formuliranju živilskih izdelkov. Nanoemulzije izkazujejo dobro stabilnost proti gravitacijskemu ločevanju, flokulaciji in koalescenci ter zaradi majhne velikosti kapljic in velike površine omogočajo nadzorovano sproščanje in/ali absorpcijo funkcionalnih sestavin. Poleg tega zagotavljajo visoko biološko uporabnost aktivnih spojin, kar je pomembno za dostavo hranil in aktivnih snovi. Imajo tudi dobre lastnosti za formuliranje, saj so prozorne ali na pogled prosojne, njihove submikronske kapljice / kapljice nanovelikosti pa ustvarjajo gladek in kremast občutek v ustih. Zato je proizvodnja stabilnih nanoemulzij vseprisotna naloga živilske industrije, na primer za formuliranje izdelkov, obogatenih z vitamini ali maščobnimi kislinami (npr. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 iz olja rastlinskih semen ali ribjega olja), ali za proizvodnjo aromatiziranih izdelkov (npr. z eteričnimi olji).

Porazdelitev kapljic nanovelikosti v ultrazvočno dispergirani nanoemulziji (emulzija sivkinega olja v vodi). Emulzija je bila pripravljena z ultrazvočno sondo UP400St.

Kozmetične nanoemulzije

Zlasti nanoemulzije vode v olju (W/O) ponujajo različne prednosti pri enkapsulaciji bioaktivne hidrofilne snovi v kapljice nanovelikosti (v enojnih ali dvojnih emulzijah).
Kliknite tukaj in preberite več o formuliranju kozmetičnih emulzij brez površinsko aktivnih snovi z ultrazvokom!

Miniemulzijska polimerizacija

Miniemulzijska polimerizacija s pomočjo ultrazvoka se uporablja pri različnih procesih – od enkapsulacije anorganskih delcev do sinteze delcev lateksa. Uporaba ultrazvoka visoke moči pri kemijskih reakcijah, kot so polimerizacija, sinteza itd., je znana kot sonokemija.
Kliknite tukaj in preberite več o sonokemiji, ultrazvočni sintezi lateksa in ultrazvočnem obarjanju!

Stabilizacija emulzij

Čeprav so lahko nekatere nanoemulzije zaradi velikosti in porazdelitve kapljic na nanometrski ravni stabilne med skladiščenjem brez uporabe površinsko aktivnih snovi ali emulgatorjev, druge nanoemulzije za dolgoročno stabilnost in optimalno kakovost izdelka zahtevajo uporabo stabilizacijskih sredstev. Stabilizacijo je mogoče doseči z dodajanjem površinsko aktivnih snovi (tenzidov) ali trdnih delcev, ki delujejo kot stabilizatorji. Emulzije, stabilizirane s trdnimi delci, so znane kot Pickeringove emulzije. Laktoza, albumin, lecitin, hitozan, ciklodekstrin, maltodekstrin, škrob itd. se lahko uporabljajo kot koloidni stabilizatorji v Pickeringovih emulzijah. Kliknite tukaj in izvedite več o ultrazvočno ustvarjenih Pickeringovih emulzijah!
Ultrazvočno emulgiranje se lahko izvaja za vse vrste emulzij. Ali je za določeno emulzijo potrebno stabilizacijsko sredstvo, je mogoče preprosto preizkusiti v majhnem obsegu.
Upoštevajte, da se količina potrebne površinsko aktivne snovi povečuje z zmanjševanjem velikosti kapljic, saj je razmerje med površino in prostornino (S/V) za krogle podano z: S/V = 3/R. Na primer, manjši kot je premer delca ali kapljice, večjo površino ima glede na svojo prostornino.

Oprema za ultrazvočno emulgiranje

Proizvodnja stabilnih submikronskih emulzij in nanoemulzij zahteva zmogljivo ultrazvočno opremo. Oprema Hielscher za ultrazvočno emulgiranje zagotavlja zelo visoke amplitude (do 200µm pri industrijskih ultrazvočnih napravah, višje amplitude na zahtevo), da ustvari intenzivno akustično polje.
Vendar za proizvodnjo stabilnih nanoemulzij sama oprema za ultrazvok visoke moči pogosto ne zadostuje. Poleg zadostne ultrazvočne moči so za pridobivanje kapljic nanovelikosti in homogeno medsebojno dispergiranje vodne in oljne faze potrebni natančen nadzor procesnih parametrov ter izpopolnjeni dodatki (kot so sonotrode, reaktorji s pretočno celico in hlajenje).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Za proizvodnjo vrhunskih emulzij z zelo ozko porazdelitvijo kapljic je Hielscher razvil edinstven vložek za pretočno celico – MultiPhaseCavitator. S tem posebnim dodatkom za pretočno celico se druga faza emulzije neprekinjeno vbrizgava skozi 48 majhnih kanil v kavitacijsko območje. Ta tehnologija omogoča zanesljivo in učinkovito proizvodnjo zelo majhnih kapljic nanovelikosti in zelo stabilnih emulzij.

Hielscher Ultrasonics je specializiran za dobavo vrhunskih ultrazvočnih sistemov in dodatkov za optimalne rezultate obdelave. Naše dolgoletne izkušnje z ultrazvočno obdelavo in tesno sodelovanje z našimi strankami zagotavljajo uspešno vključitev ultrazvoka v proizvodne linije.
Za začetne preizkuse, razvoj procesov in optimizacijo procesov ponujamo popolnoma opremljen procesni laboratorij in tehnični center.
Poleg tega ponujamo poglobljeno svetovanje, razvoj prilagojenih ultrazvočnih sistemov ter temeljito tehnično podporo za namestitev, usposabljanje in vzdrževanje.