Ултразвучна производња стабилних наноемулзија

• Наноемулзије – познате и као миниемулзије или субмикронске емулзије – користе се у широком спектру примена у хемији, бојама, премазима, козметици, фармацији и храни.
• Ултразвучни уређаји су познати као веома ефикасно и поуздано средство за производњу дугорочно стабилних наноемулзија.

Зашто користити ултразвук за наноемулговање

Ултразвучно наноемулговање је техника која користи ултразвучне таласе ниске фреквенције и велике снаге за стварање стабилних и уједначених емулзија ситних капљица, обично у опсегу од 10–200 nm. Ова техника има неколико предности у односу на традиционалне методе емулговања, које је чине супериорном у различитим применама. Неке од ових предности су:

• Уједначена величина честица: Ултразвучним наноемулговањем настају мале и уједначене капљице, које обезбеђују бољу стабилност и биорасположивост. Ове капљице имају висок однос површине и запремине, што их чини реактивнијим и ефикаснијим у различитим применама.
• Висока стабилност: Ултразвучне наноемулзије имају високу кинетичку стабилност због мале величине и уједначености капљица, што их чини отпорним на коалесценцију, флокулацију и седиментацију. Ова стабилност их чини идеалним за примену у храни, фармацији, козметици и хемији.
• Смањена потрошња енергије: Ултразвучно наноемулговање захтева мањи унос енергије од традиционалних метода емулговања као што су хомогенизација или микрофлуидизација, што га чини енергетски ефикаснијим и економичнијим.
• Свестраност: Ултразвучно наноемулговање може се користити за емулговање широког спектра материјала, укључујући липиде, хидрофилна једињења и супстанце нерастворљиве у води. То га чини свестраном техником која се може користити у различитим применама.
  Кратко време обраде: Ултразвучно наноемулговање је брз процес који се може завршити за неколико минута, што га чини погодним за производњу великих размера.

Свеукупно, ултразвучно наноемулговање нуди неколико предности у односу на традиционалне методе емулговања, што га чини супериорном техником за различите примене.
 

Ултразвучно формирање наноемулзија

Ултразвучно емулговање настаје спрезањем таласа ултразвука велике снаге са течним системом. При ултразвучној обради течности делују два механизма:

1. Акустичко поље генерише таласе који се простиру кроз течност и изазивају микротурбуленције и кретање на граници фаза. Тиме гранична фаза постаје нестабилна, па се диспергована (унутрашња) фаза на крају разбија и формира капљице у континуалној (спољашњој) фази.
2. Примена ултразвука ниске фреквенције и велике снаге ствара кавитацију (Kentish et al. 2008). Услед ултразвучне кавитације, у средини се формирају микромехурићи или шупљине због циклуса притиска ултразвучног таласа. Микромехурићи / шупљине расту током неколико таласних циклуса док се нагло не уруше. Ова имплозија мехурића локално ствара екстремне услове као што су веома интензивно смицање, млазеви течности и екстремне брзине загревања и хлађења. (Suslick 1999).

Ове екстремне силе разбијају примарне капљице дисперговане (унутрашње) фазе на капљице нановеличине и хомогено их мешају са континуалном (спољашњом) фазом.
Овде прочитајте више о ефектима ултразвучне кавитације на емулговање!

Фармацеутске наноемулзије

Липидне миниемулзије – произведене ултразвуком – широко се примењују као носачи фармаколошких агенаса у фармацеутским формулацијама. На пример, миниемулзије могу служити као носачи лекова за парентералну примену или као системи за испоруку лекова циљним ткивима. Поред високе биорасположивости инкапсулираних активних једињења, предности миниемулзија су висока биокомпатибилност, биоразградивост, стабилност и једноставност производње у великом обиму. Захваљујући својим структурним својствима, оне могу да укључе како хидрофобне тако и амфипатске молекуле. У ултразвучно припремљене наноемулзије уграђивани су токофероли, витамини, куркумин и многе друге фармаколошке супстанце.
Ултразвучни системи компаније Hielscher су поуздани емулгатори за припрему наноемулзија које садрже лекове. За ултразвучно емулговање Hielscher нуди различиту додатну опрему за оптимизацију процеса емулговања. Hielscher MultiPhaseCavitator је јединствен додатак за ултразвучне проточне ћелије, у којима се друга фаза убризгава као веома узак млаз директно у зону најинтензивнијег ултразвучног дејства при емулговању.

Наноемулзије за прехрамбену употребу

Наноемулзије нуде различите предности при формулисању прехрамбених производа. Наноемулзије показују добру стабилност у односу на гравитационо раздвајање, флокулацију и коалесценцију и омогућавају контролисано ослобађање и/или апсорпцију функционалних састојака захваљујући малој величини капљица и великој површини. Осим тога, омогућавају високу биорасположивост активних једињења, што је важно за испоруку хранљивих материја и активних супстанци. Такође имају повољна својства за формулисање производа јер су провидне или визуелно полупровидне, а њихове капљице субмикронских / нанометарских величина стварају гладак и кремаст осећај у устима. Стога је производња стабилних наноемулзија свеприсутан задатак у прехрамбеној индустрији, нпр. при формулисању производа обогаћених витаминима или масним киселинама (нпр. витамин C, витамин E омега-3, омега-6, омега-9 добијене из уља биљног семена или рибљег уља) или при производњи ароматизованих производа (нпр. са етарским уљима).

Расподела капљица нанометарских величина у ултразвучно диспергованој наноемулзији (емулзија уља лаванде у води). Емулзија је припремљена помоћу ултразвучне сонде UP400St.

Козметичке наноемулзије

Нарочито наноемулзије воде у уљу (W/O) нуде различите предности за инкапсулацију биоактивне хидрофилне супстанце у капљице нанометарских величина (у једноструким или двоструким емулзијама).
Кликните овде да прочитате више о формулисању козметичких емулзија без површински активних материја помоћу ултразвука!

Миниемулзиона полимеризација

Миниемулзиона полимеризација потпомогнута ултразвуком примењује се у различитим процесима – од инкапсулације неорганских честица до синтезе честица латекса. Примена ултразвука велике снаге у хемијским реакцијама као што су полимеризација, синтеза итд. позната је као сонохемија.
Кликните овде да прочитате више о сонохемији, ултразвучној синтези латекса и ултразвучном таложењу!

Стабилизација емулзија

Иако неке наноемулзије могу бити стабилне током складиштења без употребе било каквих површински активних материја или емулгатора захваљујући нанометарској величини и расподели капљица, друге наноемулзије захтевају употребу стабилизатора ради постизања дугорочне стабилности и оптималног квалитета производа. Стабилизација се може постићи додавањем површински активних материја (тензида) или чврстих честица које делују као стабилизатори. Емулзије стабилизоване чврстим честицама познате су као Пикерингове емулзије. Лактоза, албумин, лецитин, хитозан, циклодекстрин, малтодекстрин, скроб итд. могу се користити као колоидни стабилизатори у Пикеринговим емулзијама. Кликните овде да сазнате више о Пикеринговим емулзијама добијеним ултразвуком!
Ултразвучно емулговање може се применити на све врсте емулзија. Да ли је за одређену емулзију потребно средство за стабилизацију може се лако испитати у малом обиму.
Имајте у виду да се потребна количина површински активне материје повећава са смањењем величине капљица, јер је однос површине и запремине (S/V) за сфере дат изразом: S/V = 3/R. На пример, што је пречник честице или капљице мањи, то је њена површина већа у односу на њену запремину.

Опрема за ултразвучно емулговање

Производња стабилних субмикронских емулзија и наноемулзија захтева снажну ултразвучну опрему. Hielscher опрема за ултразвучно емулговање постиже веома високе амплитуде (до 200µm за индустријске ултразвучне уређаје, а више амплитуде на захтев) ради стварања интензивног акустичког поља.
Међутим, за производњу стабилних наноемулзија сама опрема за ултразвук велике снаге често није довољна. Поред довољне ултразвучне снаге, неопходни су прецизна контрола процесних параметара и софистицирана додатна опрема (као што су сонотроде, реактори са проточним ћелијама и хлађење) како би се добиле капљице нановеличине и хомогена дисперзија водене и уљане фазе једне у другој.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Да би се произвеле емулзије врхунског квалитета са веома уском расподелом величине капљица, Hielscher је развио јединствени уметак за проточну ћелију – MultiPhaseCavitator. Помоћу овог специјалног додатка за проточну ћелију, друга фаза емулзије непрекидно се убризгава кроз 48 малих канила у зону кавитације. Ова технологија омогућава поуздану и ефикасну производњу веома ситних капљица нановеличине и веома стабилних емулзија.

Hielscher Ultrasonics је специјализован за испоруку врхунских ултразвучних система и додатне опреме за оптималне резултате обраде. Наше дугогодишње искуство у ултразвучној обради и блиска сарадња са нашим клијентима обезбеђују успешно увођење ултразвука у производне линије.
За почетна испитивања, развој и оптимизацију процеса нудимо потпуно опремљену процесну лабораторију и технички центар.
Поред тога, нудимо детаљно саветовање, развој прилагођених ултразвучних система и свеобухватну техничку подршку за инсталацију, обуку и одржавање.