Ultraljudsproduktion av stabila nanoemulsioner

• Nanoemulsioner – även kända som miniemulsioner eller submikronemulsioner – används inom ett brett spektrum av tillämpningar inom kemi, färger, beläggningar, kosmetika, läkemedel och livsmedel.
• Ultraljudsbehandling är känd som en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för framställning av långtidsstabila nanoemulsioner.

Varför ultraljud för nanoemulgering

Nanoemulgering med ultraljud är en teknik som använder lågfrekventa ultraljudsvågor med hög effekt för att skapa stabila och enhetliga emulsioner av mycket små droppar, vanligtvis i intervallet 10–200 nm. Denna teknik har flera fördelar jämfört med traditionella emulgeringsmetoder, vilket gör den överlägsen i olika tillämpningar. Några av dessa fördelar är:

• Enhetlig partikelstorlek: Nanoemulgering med ultraljud ger små och enhetliga droppar som erbjuder bättre stabilitet och biotillgänglighet. Dessa droppar har ett högt förhållande mellan ytarea och volym, vilket gör dem mer reaktiva och effektiva i olika tillämpningar.
• Hög stabilitet: Nanoemulsioner som framställs med ultraljud har hög kinetisk stabilitet tack vare sin lilla storlek och enhetlighet, vilket gör dem motståndskraftiga mot koalescens, flockning och sedimentering. Denna stabilitet gör dem idealiska för användning inom livsmedel, läkemedel, kosmetika och kemiska tillämpningar.
• Minskad energiförbrukning: Nanoemulgering med ultraljud kräver lägre energitillförsel än traditionella emulgeringsmetoder som homogenisering eller mikrofluidisering, vilket gör tekniken mer energieffektiv och kostnadseffektiv.
• Mångsidighet: Nanoemulgering med ultraljud kan användas för att emulgera ett brett spektrum av material, inklusive lipider, hydrofila föreningar och vattenolösliga ämnen. Detta gör tekniken mångsidig och användbar i olika tillämpningar.
  Kort bearbetningstid: Nanoemulgering med ultraljud är en snabb process som kan slutföras på några minuter, vilket gör den lämplig för storskalig produktion.

Sammantaget erbjuder nanoemulgering med ultraljud flera fördelar jämfört med traditionella emulgeringsmetoder, vilket gör den till en överlägsen teknik för olika tillämpningar.
 

Bildning av nanoemulsioner med ultraljud

Ultraljudsemulgering åstadkoms genom att vågor från högeffektsultraljud kopplas in i ett vätskesystem. När en vätska behandlas med ultraljud uppträder två mekanismer:

1. Det akustiska fältet genererar vågor som fortplantar sig genom vätskan och orsakar mikroturbulens och rörelse vid fasgränsytan. Därigenom blir gränsskiktet instabilt, så att den dispergerade (inre) fasen till slut bryts upp och bildar droppar i den kontinuerliga (yttre) fasen.
2. Användning av lågfrekvent ultraljud med hög effekt genererar kavitation (Kentish et al. 2008). Vid ultraljudskavitation bildas mikrobubblor eller hålrum i mediet på grund av ultraljudsvågens tryckcykler. Mikrobubblorna / hålrummen växer under flera vågcykler tills de kollapsar våldsamt. Denna bubbelimplosion orsakar lokalt extrema förhållanden, såsom mycket kraftig skjuvning, vätskestrålar och extremt höga uppvärmnings- och kylningshastigheter. (Suslick 1999).

Dessa extrema krafter bryter ned primära droppar av den dispergerade (inre) fasen till droppar i nanostorlek och blandar in dem homogent i den kontinuerliga (yttre) fasen.
Läs mer här om ultraljudskavitationens effekter på emulgering!

Farmaceutiska nanoemulsioner

Lipidminiemulsioner – framställda med ultraljud – används i stor utsträckning som bärare för farmakologiska substanser i läkemedelsberedningar. Miniemulsioner kan till exempel fungera som parenterala läkemedelsbärare eller som system för läkemedelstillförsel till målvävnader. Förutom de inkapslade aktiva substansernas höga biotillgänglighet har miniemulsioner fördelar i form av hög biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet, stabilitet och enkel storskalig produktion. Tack vare sina strukturella egenskaper kan de innesluta såväl hydrofoba som amfipatiska molekyler. Nanoemulsioner framställda med ultraljud har laddats med tokoferoler, vitaminer, kurkumin och många andra farmakologiska substanser.
Hielschers ultraljudssystem är tillförlitliga emulgeringssystem för framställning av nanoemulsioner laddade med läkemedel. För ultraljudsemulgering erbjuder Hielscher olika tillbehör som optimerar emulgeringsprocessen. Hielschers MultiPhaseCavitator är ett unikt tillbehör för ultraljudsflödesceller, där den andra fasen injiceras som en mycket smal ström direkt i den zon där ultraljudets emulgeringsverkan är som intensivast.

Nanoemulsioner av livsmedelskvalitet

Nanoemulsioner erbjuder flera fördelar vid formulering av livsmedelsprodukter. Nanoemulsioner uppvisar god stabilitet mot gravitationsseparation, flockulering och koalescens och erbjuder kontrollerad frisättning och/eller absorption av funktionella ingredienser tack vare sin lilla droppstorlek och stora yta. Dessutom ger de hög biotillgänglighet för aktiva substanser, vilket är viktigt för tillförseln av näringsämnen och aktiva substanser. De har också goda formuleringsegenskaper eftersom de är transparenta eller synligt genomskinliga, och deras droppar i submikron- eller nanostorlek ger en len och krämig munkänsla. Därför är framställning av stabila nanoemulsioner en ständigt förekommande uppgift inom livsmedelsindustrin, till exempel för att formulera produkter berikade med vitaminer eller fettsyror (t.ex. vitamin C, vitamin E, omega-3, omega-6, omega-9 från växtfrön eller fiskolja) eller för att framställa smaksatta produkter (t.ex. med eteriska oljor).

Fördelning av droppar i nanostorlek i en ultraljudsdispergerad nanoemulsion (lavendelolja-i-vatten-emulsion). Emulsionen framställdes med ultraljudssonden UP400St.

Kosmetiska nanoemulsioner

Särskilt vatten-i-olja-nanoemulsioner (W/O) erbjuder flera fördelar vid inkapsling av bioaktiva hydrofila ämnen i droppar i nanoskala (i enkla eller dubbla emulsioner).
Klicka här för att läsa mer om tensidfri formulering av kosmetiska emulsioner med ultraljud!

Miniemulsionspolymerisation

Ultraljudsassisterad miniemulsionspolymerisation används i olika processer – från inkapsling av oorganiska partiklar till syntes av latexpartiklar. Användning av högeffektsultraljud i kemiska reaktioner som polymerisation, syntes osv. kallas sonokemi.
Klicka här för att läsa mer om sonokemi, ultraljudssyntes av latex och ultraljudsutfällning!

Stabilisering av emulsioner

Även om vissa nanoemulsioner kan vara lagringsstabila utan användning av tensider eller emulgeringsmedel tack vare dropparnas storlek i nanoskala och deras fördelning, kräver andra nanoemulsioner stabiliseringsmedel för att uppnå långvarig stabilitet och optimal produktkvalitet. Stabilisering kan åstadkommas genom tillsats av antingen ytaktiva ämnen (tensider) eller fasta partiklar som fungerar som stabilisatorer. Emulsioner som stabiliseras av fasta partiklar kallas Pickeringemulsioner. Laktos, albumin, lecitin, kitosan, cyklodextrin, maltodextrin, stärkelse osv. kan användas som kolloidala stabilisatorer i Pickeringemulsioner. Klicka här för att läsa mer om Pickeringemulsioner framställda med ultraljud!
Ultraljudsemulgering kan utföras för alla typer av emulsioner. Om ett stabiliseringsmedel behövs för en viss emulsion kan enkelt testas i liten skala.
Observera att mängden tensid som krävs ökar med minskande droppstorlek, eftersom förhållandet mellan ytarea och volym (S/V) för sfärer ges av: S/V = 3/R. Ju mindre diametern på en partikel eller droppe är, desto större är exempelvis dess ytarea i förhållande till volymen.

Utrustning för ultraljudsemulgering

Framställning av stabila submikron- och nanoemulsioner kräver kraftfull ultraljudsutrustning. Hielschers utrustning för ultraljudsemulgering ger mycket höga amplituder (upp till 200µm för industriella ultraljudsapparater, högre amplituder på begäran) för att generera ett intensivt akustiskt fält.
För framställning av stabila nanoemulsioner räcker dock utrustning för högeffektultraljud ofta inte i sig. Förutom tillräcklig ultraljudseffekt krävs noggrann kontroll av processparametrarna och avancerade tillbehör (såsom sonotroder, flödescellsreaktorer och kylning) för att erhålla droppar i nanostorlek och en homogen dispergering av vattenfasen och oljefasen i varandra.
Hielscher MultiPhaseCavitator: För att framställa överlägsna emulsioner med en mycket snäv droppstorleksfördelning har Hielscher utvecklat en unik flödescellsinsats – MultiPhaseCavitator. Med detta speciella tillbehör till flödescellen injiceras emulsionens andra fas kontinuerligt via 48 små kanyler i kavitationszonen. Denna teknik möjliggör tillförlitlig och effektiv framställning av mycket små droppar i nanostorlek och mycket stabila emulsioner.

Hielscher Ultrasonics är specialiserat på att leverera överlägsna ultraljudssystem och tillbehör för optimala bearbetningsresultat. Vår mångåriga erfarenhet av ultraljudsbearbetning och vårt nära samarbete med våra kunder säkerställer att ultraljud framgångsrikt integreras i produktionslinjer.
För inledande tester, processutveckling och processoptimering erbjuder vi ett fullt utrustat processlaboratorium och teknikcentrum.
Dessutom erbjuder vi ingående rådgivning, utveckling av kundanpassade ultraljudssystem och kvalificerad teknisk service för installation, utbildning och underhåll.