Ultraljudsproduktion av stabila nanoemulsioner
- Nanoemulsioner – även känd som miniemulsioner eller submikronemulsioner – används i ett brett spektrum av applikationer inom kemi, färger, beläggningar, kosmetika, läkemedel och livsmedel.
- Ultraljudsapparater är kända som en mycket effektiv och pålitlig teknik för produktion av långsiktigt stabila nanoemulsioner.
Varför ultraljud för nanoemulgering
Ultraljud nanoemulgering är en teknik som använder lågfrekventa, högeffekts ultraljudsvågor för att skapa stabila och enhetliga emulsioner av små droppar, vanligtvis i intervallet 10-200 nm. Denna teknik har flera fördelar jämfört med traditionella emulgeringsmetoder, vilket gör den överlägsen i olika applikationer. Några av dessa fördelar är:
- Enhetlig partikelstorlek: Ultraljud nanoemulgering producerar små och enhetliga droppar, vilket ger bättre stabilitet och biotillgänglighet. Dessa droppar har ett högt förhållande mellan yta och volym, vilket gör dem mer reaktiva och effektiva i olika applikationer.
- Hög stabilitet: Ultraljudnanoemulsioner har en hög kinetisk stabilitet på grund av sin lilla storlek och enhetlighet, vilket gör dem resistenta mot koalescens, flockning och sedimentering. Denna stabilitet gör dem idealiska för användning i livsmedel, läkemedel, kosmetiska och kemiska applikationer.
- Minskad energiförbrukning: Ultraljud nanoemulgering kräver lägre energitillförsel än traditionella emulgeringsmetoder som homogenisering eller mikrofluidisering, vilket gör det mer energieffektivt och kostnadseffektivt.
- Mångsidighet: Ultraljud nanoemulgering kan användas för att emulgera ett brett spektrum av material, inklusive lipider, hydrofila föreningar och vattenolösliga ämnen. Detta gör det till en mångsidig teknik som kan användas i olika applikationer.
Snabb handläggningstid: Ultraljud nanoemulgering är en snabb process som kan slutföras på några minuter, vilket gör den lämplig för storskalig produktion.
Sammantaget erbjuder ultraljud nanoemulgering flera fördelar jämfört med traditionella emulgeringsmetoder, vilket gör det till en överlägsen teknik för olika applikationer.

Ultraljudsberedning av en klar nano-emulsion Använda UP400ST ultraljudsapparat.
Ultraljudsbildning av nanoemulsioner
Ultraljudsemulgering orsakas av att koppla vågorna av kraftultraljud till ett flytande system. Genom att sonikera en vätska, uppstår två mekanismer:
- Det akustiska fältet genererar vågor som färdas genom vätskan och orsakar mikroturbulenser och en gränsyterörelse. Därmed blir randfasen instabil, så att den dispergerade (interna) fasen så småningom bryts sönder och bildar droppar i den kontinuerliga (externa) fasen.
- Tillämpningen av ultraljud med låg frekvens och hög effekt genererar kavitation (Kentish et al. 2008). Genom ultraljudskavitation bildas mikrobubblor eller hålrum i mediet på grund av ultraljudsvågens tryckcykler. Mikrobubblorna / hålrummen växer över flera vågcykler tills de kollapsar våldsamt. Denna bubbelimplosion orsakar lokalt extrema förhållanden som mycket hög skjuvning, vätskestrålar och extrema uppvärmnings- och kylningshastigheter. (Suslick 1999).
Dessa extrema krafter bryter ner primära droppar av dispergerad (intern) fas till droppar i nanostorlek och blandar dem homogent till den kontinuerliga (externa) fasen.
Här kan du läsa mer om effekterna av ultraljudskavitation på emulgering!
Farmaceutiska nanoemulsioner
Miniemulsioner av lipider – Producerad av Ultrasonics – används i stor utsträckning som bärare av farmakologiska medel i farmaceutiska formuleringar. Till exempel kan miniemulsioner fungera som parenteral läkemedelsbärare eller läkemedelsleveransanordning för att rikta in sig på vävnader. Förutom den höga biotillgängligheten hos de inkapslade aktiva föreningarna, ligger fördelarna med miniemulsioner i deras höga biokompatibilitet, biologiska nedbrytbarhet, stabilitet och lätthet att producera i stor skala. På grund av deras strukturella egenskaper kan de innehålla såväl hydrofoba som amfipatiska molekyler. Ultraljudsframställda nanoemulsioner har laddats med tokoferoler, vitaminer, curcurmin och många andra farmakologiska substanser.
Hielschers ultraljudssystem är pålitliga emulgeringsmedel för framställning av läkemedelslodade nanoemulsioner. För ultraljudsemulgering erbjuder Hielscher olika tillbehör för att optimera emulgeringsprocessen. Hielschers MultiPhaseCavitator är ett unikt tillägg för ultraljudsflödesceller, där den andra fasen injiceras som en mycket smal ström direkt in i ultraljuds hot spot-zonen för emulgering.

Ultraljud UP400St för formulering av farmaceutiska nanosuspensioner med ökad biotillgänglighet.
Nanoemulsioner av livsmedelskvalitet
Nanoemulsioner erbjuder olika fördelar för formuleringen av livsmedelsprodukter. Nanoemulsioner visar en god stabilitet mot gravitationsseparation, flockning, koalescens och erbjuder kontrollerad frisättning och/eller absorption av funktionella ingredienser på grund av deras lilla droppstorlek och stora yta. Dessutom erbjuder de en hög biotillgänglighet av aktiva föreningar, vilket är viktigt för leveransen av näringsämnen och aktiva substanser. Dessutom erbjuder de goda formuleringsegenskaper eftersom de är transparenta eller visuellt genomskinliga och deras droppar i submikron-/nanostorlek ger en slät och krämig munkänsla. Därmed är produktionen av stabila nanoemulsioner en allestädes närvarande uppgift för livsmedelsindustrin, t.ex. för att formulera vitamin- eller fettsyraberikade produkter (t.ex. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 som härrör från växtfrö eller fiskolja) eller för att producera smaksatta produkter (t.ex. med eteriska oljor).

Droppfördelning i nanostorlek av en ultraljudsdispergerad nanoemulsion (lavendelolja-i-vatten-emulsion). Emulsion framställdes med ultraljudssonden UP400St.
Kosmetiska nanoemulsioner
Speciellt vatten-i-olja (W/O) nanoemulsioner erbjuder olika fördelar för inkapsling av bioaktiva hydrofila ämnen i droppar i nanoskala (i enkla eller dubbla emulsioner).
Klicka här för att läsa mer om den ytaktiva fria formuleringen av kosmetiska emulsioner med ultraljud!
Polymerisation med miniemulsion
Ultraljudsassisterad miniemulsionspolymerisation tillämpas på olika processer – från inkapsling av oorganiska partiklar till syntes av latexpartiklar. Tillämpningen av kraftultraljud till kemiska reaktioner såsom polymerisation, syntes etc. är känd som sonokemi.
Klicka här för att läsa mer om Sonokemi, Ultraljud syntes av latex och Ultraljud nederbörd!
Stabilisering av emulsion
Även om vissa nanoemulsioner kan vara lagringsstabila utan användning av några ytaktiva ämnen eller emulgeringsmedel på grund av droppstorleken och fördelningen i nanoskala, kräver andra nanoemulsioner användning av stabiliseringsmedel för att uppnå långsiktig stabilitet och optimal produktkvalitet. Stabilisering kan åstadkommas genom att tillsätta antingen ytaktiva ämnen (tensider) eller fasta partiklar som fungerar som stabilisatorer. Emulsioner, som stabiliseras av fasta partiklar, är kända som Pickering-emulsioner. Laktos, albumin, lecitin, kitosan, cyklodextrin, maltodextrin, stärkelse m.m. kan användas som kolloidala stabilisatorer i Pickering-emulsioner. Klicka här för att lära dig mer om ultraljudsgenererade Pickering-emulsioner!
Ultraljudsemulgering kan utföras för alla typer av emulsioner. Om ett stabiliseringsmedel krävs för en specifik emulsion, kan det enkelt testas i liten skala.
Observera att mängden surfaktant som krävs ökar med en minskande droppstorlek eftersom förhållandet mellan yta, area och volym (S/V) för sfärer ges av: S/V = 3/R. Till exempel, ju mindre diameter en partikel eller droppe har, desto större yta har den i förhållande till sin volym.
Utrustning för ultraljudsemulgering
Produktionen av stabila submikron- och nanoemulsioner kräver kraftfull ultraljudsutrustning. Hielscher ultraljud emulgeringsutrustning levererar mycket höga amplituder (upp till 200 μm för industriella ultraljudsapparater, högre amplituder på begäran) för att generera ett intensivt akustiskt fält.
Men för produktion av stabila nanoemulsioner räcker det ofta inte med enbart ultraljudsutrustning. Förutom tillräcklig ultraljudskraft är exakt kontroll av processparametrarna och sofistikerade tillbehör (såsom sonotroder, flödescellsreaktorer, kylning) nödvändiga för att erhålla droppar i nanostorlek och en homogen dispersion av både vatten- och oljefasen i varandra.
Hielscher MultiPhaseCavitator: För att producera överlägsna emulsioner med en mycket smal droppfördelning har Hielscher utvecklat en unik flödescellsinsats – MultiPhaseCavitator. Med detta speciella flödescellstillägg injiceras den andra fasen av emulsionen kontinuerligt via 48 små kanyler i kavitationszonen. Denna teknik möjliggör tillförlitlig och effektiv produktion, mycket små droppar i nanostorlek och mycket stabila emulsioner.
Hielscher Ultrasonics är specialiserat på att leverera överlägsna ultraljudssystem och tillbehör för optimala bearbetningsresultat. Vår långa erfarenhet av ultraljudsbearbetning och vårt nära samarbete med våra kunder säkerställer en framgångsrik implementering av ultraljud i produktionslinjer.
För inledande tester, processutveckling och processoptimering erbjuder vi ett fullt utrustat processlabb och tekniskt center.
Dessutom erbjuder vi djupgående rådgivning, utveckling av skräddarsydda ultraljudssystem och djupgående teknisk service för installation, utbildning och underhåll.
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
0.5 till 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
15 till 150L | 3 till 15 l/min | UIP6000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Fakta som är värda att veta
Emulsioner, droppstorlek och ytaktiva ämnen
Emulsioner definieras som två oblandbara vätskor: En av vätskorna – den så kallade dispergerade eller inre fasen – sprids som sfäriska droppar i den andra vätskan, känd som kontinuerlig eller extern fas. De mest framträdande vätskorna som används för att bilda en emulsion är olja och vatten. När oljefasen dispergeras i vatten-/vattenfasen är systemet en olja-i-vatten-emulsion, medan när vatten-/vattenfasen dispergeras i oljefasen är det en vatten-i-olja-emulsion. Emulsioner skiljer sig åt genom sin partikelstorlek respektive termodynamiska stabilitet som makroemulsioner, mikroemulsioner respektive nanoemulsioner.
Nanoemulsioner
Nanoemulsioner är nanopartikeldispersioner, som består av droppar i nanostorlek. De höga skjuvkrafterna vid ultraljud bryter sönder dropparna så att de reduceras till submikron och nanodiameter. I allmänhet leder mindre droppstorlekar till större emulsionsstabilitet. Nanoemulsioner kan särskiljas som O/W (olja-i-vatten), W/O (vatten-i-olja) eller som flera/dubbla emulsioner som W/O/W och O/W/O. Nanoemulsion är transparenta eller till och med genomskinliga (i det synliga spektrumet) beroende på konsistens och droppstorlek. Nanoemulsioner definieras i allmänhet av en droppstorlek mellan 20 och 200 nm. Med en fallande droppstorlek minskar emulsionens benägenhet för koalescens (minskar Ostwald-mognaden).
Nanomaterial och nanoemulsioner kännetecknas av fysikaliska egenskaper som skiljer sig från mikroemulsioner. Partiklar i nanostorlek uppvisar antingen helt olika egenskaper eller så uttrycks deras typiska egenskaper i en mycket extrem form. Det synliga utseendet på nanoemulsioner har ett annat utseende än mikronstora emulsioner eftersom dropparna är för små för att störa de optiska våglängderna i det synliga spektrumet. Därför uppvisar nanoemulsioner mycket liten ljusspridning och verkar transparenta eller optiskt genomskinliga.
Droppstorleken hos en emulsion påverkas av sammansättningen av oljefasen, gränsytans egenskaper och viskositet hos båda, de kontinuerliga och dispergerade faserna, typen av emulgeringsmedel/ytaktivt ämne, skjuvhastighet under emulgering, samt lösligheten av oljefasen i vatten.
Nanoemulsioner används i stor utsträckning i olika tillämpningar såsom läkemedelstillförsel, livsmedel & Drycker, kosmetika, läkemedel och materialvetenskap & syntes.
Ytaktiva ämnen
Emulgeringsmedel är en viktig faktor för att framställa en stabil emulsion / nanoemulsion. Emulgeringsmedel är ytaktiva ämnen som bildar ett skyddande skikt runt droppen och minskar spänningen i gränssnittet, vilket förhindrar att Ostwald mognar, koalescens och krämar.
Typer av ytaktiva ämnen:
- Småmolekylära ytaktiva ämnen: Nonjoniska emulgeringsmedel som Tween och Span uppvisar låg toxicitet och irritation när de administreras oralt, parenteralt och dermalt och är därför att föredra framför joniska emulgeringsmedel. Tween och Span är de föredragna stabilisatorerna för emulsionsformuleringar inom livsmedels-, läkemedels- och kosmektisk industri.
Interpoleringar: Tween 20/60/80 är kända som polysorbat 20/60/80 (PEG-20 dehydratiserad sorbieritmonolaurat, PEG-20 dehydratiserad sorbieritmonostearat, polyoxietylensorbitanmonooleat). De är nonjoniska ytaktiva ämnen / emulgeringsmedel som härrör från sorbitol. De löser sig lätt i vatten, etanol, metanol eller etylacetat, men bara lite i mineralolja.
Spänner över: Span20/40/60/80 är sorbitanfettsyraestrar / sorbitanestrar, som är nonjoniska ytaktiva ämnen med emulgerande, dispergerande och vätande egenskaper. Spännvidder produceras genom uttorkning av sorbitol. - Fosfolipider: äggula, soja eller mejerilecitin
- Amfifila proteiner: Vassleproteinisolat, kaseinat
- Amfifila polysackarider: gummi arabicum, modifierad stärkelse
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.