Ultrazvočna proizvodnja stabilnih nanoemulzij
- Nanoemulzije – znane tudi kot miniemulzije ali submikronske emulzije – se uporabljajo v širokem spektru aplikacij v kemiji, barvah, premazih, kozmetiki, farmacevtskih izdelkih in hrani.
- Ultrazvočni aparati so znani kot zelo učinkovita in zanesljiva tehnika za proizvodnjo dolgoročno stabilnih nanoemulzij.
Zakaj ultrazvok za nanoemulzifikacijo
Ultrazvočna nanoemulzifikacija je tehnika, ki uporablja nizkofrekvenčne, visoko zmogljive ultrazvočne valove za ustvarjanje stabilnih in enakomernih emulzij drobnih kapljic, običajno v območju 10-200 nm. Ta tehnika ima več prednosti pred tradicionalnimi metodami emulgiranja, zaradi česar je boljša v različnih aplikacijah. Nekatere od teh prednosti so:
- Enotna velikost delcev: Ultrazvočna nanoemulzifikacija proizvaja majhne in enakomerne kapljice, ki ponujajo boljšo stabilnost in biološko uporabnost. Te kapljice imajo veliko razmerje med površino in prostornino, zaradi česar so bolj reaktivne in učinkovite pri različnih aplikacijah.
- Visoka stabilnost: Ultrazvočne nanoemulzije imajo visoko kinetično stabilnost zaradi svoje majhnosti in enakomernosti, zaradi česar so odporne na koalescenco, flokulacijo in sedimentacijo. Zaradi te stabilnosti so idealni za uporabo v živilskih, farmacevtskih, kozmetičnih in kemičnih aplikacijah.
- Zmanjšana poraba energije: Ultrazvočna nanoemulzifikacija zahteva manjši vnos energije kot tradicionalne metode emulgiranja, kot so homogenizacija ali mikrofluidizacija, zaradi česar je bolj energetsko učinkovita in stroškovno učinkovita.
- Vsestranskost: Ultrazvočna nanoemulzifikacija se lahko uporablja za emulgiranje širokega spektra materialov, vključno z lipidi, hidrofilnimi spojinami in vodotopnimi snovmi. Zaradi tega je vsestranska tehnika, ki se lahko uporablja v različnih aplikacijah.
Hiter čas obdelave: Ultrazvočna nanoemulzifikacija je hiter proces, ki ga je mogoče zaključiti v nekaj minutah, zaradi česar je primeren za obsežno proizvodnjo.
Na splošno ultrazvočna nanoemulzifikacija ponuja več prednosti pred tradicionalnimi metodami emulgiranja, zaradi česar je vrhunska tehnika za različne aplikacije.
Ultrazvočna priprava bistre nano-emulzije z uporabo ultrazvočnega aparata UP400ST.
Ultrazvočna tvorba nanoemulzij
Ultrazvočna emulgacija je posledica spajanja valov ultrazvoka moči v tekoči sistem. S ultrazvočnim razbijanjem tekočine se pojavita dva mehanizma:
- Akustično polje ustvarja valove, ki potujejo skozi tekočino in povzročajo mikroturbulence in medfazno gibanje. S tem mejna faza postane nestabilna, tako da se razpršena (notranja) faza sčasoma zlomi in tvori kapljice v zvezni (zunanjo) fazi.
- Uporaba nizkofrekvenčne, visoko zmogljive ultrazvoke ustvarja kavitacijo (Kentish et al. 2008). Z ultrazvočno kavitacijo se v mediju oblikujejo mikromehurčki ali praznine zaradi tlačnih ciklov ultrazvočnega vala. Mikromehurčki / praznine rastejo v več valovnih ciklih, dokler se silovito ne zrušijo. Ta implozija mehurčkov povzroča lokalno ekstremne pogoje, kot so zelo visoko striženje, tekoči curki in ekstremne hitrosti ogrevanja in hlajenja. (Suslick 1999).
Te ekstremne sile razbijejo primarne kapljice razpršene (notranje) faze do nanovelikosti kapljic in jih homogeno zmešajo v neprekinjeno (zunanjo) fazo.
Tukaj preberite več o učinkih ultrazvočne kavitacije na emulgiranje!
Farmacevtske nanoemulzije
Lipidne miniemulzije – Izdelava Ultrasonics – se pogosto uporabljajo kot nosilci farmakoloških sredstev v farmacevtskih formulacijah. Na primer, miniemulzije lahko delujejo kot parenteralni nosilec zdravil ali naprava za dostavo zdravil za ciljna tkiva. Poleg visoke biološke uporabnosti inkapsuliranih aktivnih spojin so prednosti miniemulzij v njihovi visoki biokompatibilnosti, biorazgradljivosti, stabilnosti in enostavnosti proizvodnje v velikem obsegu. Zaradi svojih strukturnih lastnosti lahko vključujejo hidrofobne in amfipatske molekule. Ultrazvočno pripravljene nanoemulzije so napolnjene s tokoferoli, vitamini, curcurminom in številnimi drugimi farmakološkimi snovmi.
Hielscherjevi ultrazvočni sistemi so zanesljivi emulgatorji za pripravo nanoemulzij, ki se nanašajo na zdravila. Za ultrazvočno emulgiranje Hielscher ponuja različne dodatke za optimizacijo procesa emulgiranja. Hielschers MultiPhaseCavitator je edinstven dodatek za ultrazvočne pretočne celice, kjer se druga faza vbrizga kot zelo ozek tok neposredno v ultrazvočno območje emulgiranja.
Ultrazvočni aparat UP400St za formulacijo farmacevtskih nanosuspenzij s povečano biološko uporabnostjo.
Nanoemulzije za živila
Nanoemulzije ponujajo različne koristi za formulacijo živilskih izdelkov. Nanoemulzije kažejo dobro stabilnost gravitacijskega ločevanja, flokulacije, koalescence in ponujajo nadzorovano sproščanje in / ali absorpcijo funkcionalnih sestavin zaradi majhne velikosti kapljic in velike površine. Poleg tega ponujajo visoko biološko uporabnost aktivnih spojin, kar je pomembno za dostavo hranil in aktivnih snovi. Poleg tega ponujajo dobre lastnosti formulacije, saj so prozorne ali vizualno prosojne, kapljice submikronske / nanovelikosti pa povzročajo gladek in kremast občutek v ustih. Zato je proizvodnja stabilnih nanoemulzij vseprisotna naloga živilske industrije, npr. za pripravo izdelkov, obogatenih z vitamini ali maščobnimi kislinami (npr. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9, pridobljeni iz rastlinskih semen ali ribjega olja) ali za proizvodnjo aromatiziranih izdelkov (npr. z eteričnimi olji).
Nanoporazdelitev kapljic ultrazvočno razpršene nanoemulzije (emulzija sivke olje v vodi). Pripravljena je bila emulzija z ultrazvočno sondo UP400St.
Kozmetične nanoemulzije
Zlasti nanoemulzije vode v olju (W/O) ponujajo različne prednosti za inkapsulacijo bioaktivne hidrofilne snovi v nanoskalne kapljice (v enojnih ali dvojnih emulzijah).
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o formulaciji kozmetičnih emulzij brez površinsko aktivnih snovi z ultrazvokom!
miniemulzijska polimerizacija
Ultrazvočno podprta miniemulzijska polimerizacija se uporablja v različnih procesih – od inkapsulacije anorganskih delcev do sinteze delcev lateksa. Uporaba močnega ultrazvoka za kemijske reakcije, kot so polimerizacija, sinteza itd., Je znana kot sonokemija.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o Sonokemija, Ultrazvočna sinteza lateksa in ultrazvočne padavine!
stabilizacija emulzije
Čeprav so nekatere nanoemulzije lahko stabilne brez uporabe površinsko aktivnih snovi ali emulgatorjev zaradi velikosti in porazdelitve kapljic v nanomerilu, druge nanoemulzije zahtevajo uporabo stabilizacijskih sredstev za doseganje dolgoročne stabilnosti in optimalne kakovosti izdelka. Stabilizacijo lahko dosežemo z dodajanjem površinsko aktivnih snovi (tenzidov) ali trdnih delcev, ki delujejo kot stabilizatorji. Emulzije, ki so 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, če želite izvedeti več o ultrazvočno generiranih emulzijah Pickering!
Ultrazvočna emulzifikacija se lahko izvede za vse vrste emulzij. Če je za določeno emulzijo potrebno stabilizacijsko sredstvo, ga je mogoče enostavno 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 kroglice dano z: S/V = 3/R. Na primer, manjši kot je premer delca ali kapljice, večja je površina glede na prostornino.
Ultrazvočna oprema za emulgiranje
Proizvodnja stabilnih submikron- in nano-emulzij zahteva zmogljivo ultrazvočno opremo. Hielscher ultrazvočna emulgatorska oprema zagotavlja zelo visoke amplitude (do 200 μm za industrijske ultrazvočne aparate, višje amplitude na zahtevo) za ustvarjanje intenzivnega akustičnega polja.
Vendar pa za proizvodnjo stabilnih nanoemulzij sama ultrazvočna oprema pogosto ne zadostuje. Poleg zadostne ultrazvočne moči, natančnega nadzora procesnih parametrov in prefinjenih dodatkov (kot so sonotrode, reaktorji pretočnih celic, hlajenje) so potrebni za pridobitev nano-velikih kapljic in homogene disperzije obeh, vodne in oljne faze drug v drugega.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Za proizvodnjo vrhunskih emulzij z zelo ozko porazdelitvijo kapljic je Hielscher razvil edinstven vložek pretočne celice – MultiPhaseCavitator. S tem posebnim dodatkom pretočne celice se druga faza emulzije neprekinjeno injicira prek 48 majhnih kanil v kavitacijsko cono. Ta tehnologija omogoča zanesljivo in učinkovito proizvodnjo zelo majhnih nano-velikih kapljic in zelo stabilnih emulzij.
Hielscher Ultrasonics je specializiran za dobavo vrhunskih ultrazvočnih sistemov in dodatkov za optimalne rezultate obdelave. Naše dolgoletne izkušnje na področju ultrazvočne obdelave in tesno sodelovanje z našimi strankami zagotavljajo uspešno implementacijo ultrazvoka v proizvodne linije.
Za začetne teste, razvoj procesov in optimizacijo procesov ponujamo popolnoma opremljen procesni laboratorij in tehnični center.
Poleg tega ponujamo poglobljeno svetovanje, razvoj prilagojenih ultrazvočnih sistemov in poglobljene tehnične storitve za namestitev, usposabljanje in vzdrževanje.
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Emulzije, velikost kapljic in površinsko aktivne snovi
Emulzije so opredeljene kot dve tekočini, ki se ne mešata: Ena od tekočin – tako imenovana razpršena ali notranja faza – je razpršena kot sferične kapljice v drugi tekočini, znana kot zvezna ali zunanja faza. Najpomembnejše tekočine, ki se uporabljajo za tvorbo emulzije, so olje in voda. Ko se oljna faza razprši v vodni/vodni fazi, je sistem emulzija olje v vodi, medtem ko je voda/vodna faza dispergirana v oljni fazi, je emulzija voda v olju. Emulzije se razlikujejo po velikosti delcev in termodinamični stabilnosti kot makroemulzije, mikroemulzije in nanoemulzije.
Nanoemulzije
Nanoemulzije so disperzije nanodelcev, ki so sestavljene iz kapljic nanovelikosti. Visoke strižne sile močnega ultrazvoka raztrgajo kapljice, tako da se zmanjšajo na submikron in nano premer. Na splošno manjše velikosti kapljic vodijo do večje stabilnosti emulzije. Nanoemulzije lahko ločimo kot O/W (olje v vodi), W/O (voda v olju) ali kot večkratne/dvojne emulzije, kot sta W/O/W in O/W/O. Nanoemulzije so prozorne ali celo prosojne (v vidnem spektru), odvisno od konsistence in velikosti kapljic. Nanoemulzije so na splošno opredeljene z velikostjo kapljic med 20 in 200 nm. Z padajočo velikostjo kapljic se nagnjenost emulzije k koalescenci zmanjšuje (zmanjšuje zorenje Ostwalda).
Za nanomateriale in nanoemulzije so značilne fizikalne lastnosti, ki se razlikujejo od mikroemulzij. Nano-veliki delci kažejo popolnoma drugačne lastnosti ali pa so njihove tipične lastnosti izražene v zelo ekstremni obliki. Vidni videz nanoemulzij ima drugačen videz kot emulzije velikosti mikronov, saj so kapljice premajhne, da bi motile optične valovne dolžine vidnega spektra. Zato nanoemulzije kažejo zelo malo sipanja svetlobe in so videti prozorne ali optično prosojne.
Na velikost kapljic emulzije vplivajo sestava oljne faze, medfazne lastnosti in viskoznost obeh kontinuiranih in dispergiranih faz, vrsta emulgatorja/površinsko aktivne snovi, strižna hitrost med emulgiranjem in topnost oljne faze v vodi.
Nanoemulzije se pogosto uporabljajo v različnih aplikacijah, kot so dostava zdravil, hrana & pijače, kozmetika, farmacevtski izdelki in znanost o materialih & Sintezo.
površinsko aktivne snovi
Emulgatorji so bistveni dejavnik za pripravo stabilne emulzije / nanoemulzije. Emulgatorji so površinsko aktivna sredstva, ki tvorijo zaščitno plast okoli kapljice in zmanjšujejo medfazno napetost, s čimer preprečujejo zorenje Ostwalda, koalescenco in kremo.
Vrste površinsko aktivnih snovi:
- Površinsko aktivne snovi z majhnimi molekulami: Neionski emulgatorji, kot sta Tween in Span, kažejo nizko toksičnost in dražilnost, kadar se dajejo peroralno, parenteralno in dermalno, zato imajo prednost pred ionskimi emulgatorji. Tween in Span sta prednostna stabilizatorja za emulzijske formulacije v živilski, farmacevtski in kozmetični industriji.
Najstniki: Tween 20/60/80 so znani kot polisorbat 20/60/80 (PEG-20 dehidrirani sorbierit monolaurat, PEG-20 dehidrirani sorbierit monostearat, polioksietilen sorbitan monooleat). So neionske površinsko aktivne snovi / emulgatorji, pridobljeni iz sorbitola. Z lahkoto se raztopijo v vodi, etanolu, metanolu ali etil acetatu, vendar le malo v mineralnem olju.
Zajema: Span20/40/60/80 so estri sorbitanskih maščobnih kislin / sorbitanski estri, ki so neionske površinsko aktivne snovi z emulgiracijskimi, disperzijskimi in vlažilnimi lastnostmi. Površinsko aktivne snovi nastajajo z dehidracijo sorbitola. - Fosfolipidi: jajčni rumenjak, soja ali mlečni lecitin
- Amfifilne beljakovine: izolat sirotkinih beljakovin, kazeinat
- Amfifilni polisaharidi: arabski gumi, modificirani škrobi
Literatura / Reference
- 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.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.