Kararlı Nanoemülsiyonların Ultrasonik Üretimi
- Nanoemülsiyonlar – miniemülsiyonlar veya submikron emülsiyonlar olarak da bilinir – kimya, boya, kaplama, kozmetik, ilaç ve gıda alanlarında çok çeşitli uygulamalarda kullanılır.
- Sonikatörler, uzun süre kararlı kalan nanoemülsiyonların üretimi için yüksek verimli ve güvenilir bir teknik olarak bilinir.
Nanoemülsifikasyon İçin Neden Ultrasonik Yöntemler?
Ultrasonik nanoemülsifikasyon, genellikle 10–200 nm aralığındaki çok küçük damlacıklardan oluşan kararlı ve homojen emülsiyonlar oluşturmak için düşük frekanslı, yüksek güçlü ultrason dalgalarını kullanan bir tekniktir. Bu tekniğin geleneksel emülsifikasyon yöntemlerine göre çeşitli avantajları vardır ve bunlar onu çeşitli uygulamalarda üstün kılar. Bu avantajlardan bazıları şunlardır:
- Homojen parçacık boyutu: Ultrasonik nanoemülsifikasyon, daha iyi kararlılık ve biyoyararlanım sağlayan küçük ve homojen damlacıklar üretir. Bu damlacıkların yüzey alanının hacme oranı yüksektir; bu da onları çeşitli uygulamalarda daha reaktif ve etkili kılar.
- Yüksek kararlılık: Ultrasonik nanoemülsiyonlar, küçük boyutları ve homojenlikleri sayesinde yüksek kinetik kararlılığa sahiptir; bu da onları koalesans, flokülasyon ve çökelmeye karşı dirençli kılar. Bu kararlılık, onları gıda, ilaç, kozmetik ve kimya uygulamalarında kullanım için ideal kılar.
- Azaltılmış enerji tüketimi: Ultrasonik nanoemülsifikasyon, homojenizasyon veya mikroakışkanlaştırma gibi geleneksel emülsifikasyon yöntemlerinden daha düşük enerji girdisi gerektirir; bu da onu enerji açısından daha verimli ve maliyet açısından daha avantajlı kılar.
- Çok yönlülük: Ultrasonik nanoemülsifikasyon, lipitler, hidrofilik bileşikler ve suda çözünmeyen maddeler dahil olmak üzere çok çeşitli malzemeleri emülsifiye etmek için kullanılabilir. Bu da onu çeşitli uygulamalarda kullanılabilen çok yönlü bir teknik haline getirir.
Kısa işlem süresi: Ultrasonik nanoemülsifikasyon, dakikalar içinde tamamlanabilen hızlı bir süreçtir; bu da onu büyük ölçekli üretim için uygun kılar.
Genel olarak ultrasonik nanoemülsifikasyon, geleneksel emülsifikasyon yöntemlerine göre çeşitli avantajlar sunar ve bu da onu çeşitli uygulamalar için üstün bir teknik haline getirir.
Berrak bir nanoemülsiyonun ultrasonik hazırlanması UP400ST sonikatörü kullanılarak gerçekleştirilir.
Nanoemülsiyonların Ultrasonik Oluşumu
Ultrasonik emülsifikasyon, yüksek güçlü ultrason dalgalarının bir sıvı sistemine aktarılmasıyla gerçekleşir. Bir sıvıya sonikasyon uygulandığında iki mekanizma ortaya çıkar:
- Akustik alan, sıvı boyunca ilerleyen ve mikrotürbülanslara ve ara yüzey hareketine neden olan dalgalar üretir. Böylece sınır fazı kararsız hale gelir ve sonuçta dağılmış (iç) faz parçalanarak sürekli (dış) faz içinde damlacıklar oluşturur.
- Düşük frekanslı, yüksek güçlü ultrason uygulaması kavitasyon oluşturur (Kentish et al. 2008). Ultrasonik kavitasyon yoluyla, ultrason dalgasının basınç döngüleri nedeniyle ortamda mikro kabarcıklar veya boşluklar oluşur. Mikro kabarcıklar / boşluklar, şiddetle çökene kadar birkaç dalga döngüsü boyunca büyür. Bu kabarcıkların içe çökmesi, yerel olarak çok yüksek kesme, sıvı jetleri ve aşırı ısınma ve soğuma hızları gibi uç koşullar oluşturur. (Suslick 1999).
Bu aşırı kuvvetler, dağılmış (iç) fazın birincil damlacıklarını nano boyutlu damlacıklara parçalar ve bunları sürekli (dış) faza homojen biçimde karıştırır.
Ultrasonik kavitasyonun emülsifikasyon üzerindeki etkileri hakkında daha fazla bilgiyi buradan okuyun!
Farmasötik Nanoemülsiyonlar
Ultrasonik yöntemlerle üretilen lipit miniemülsiyonlar, farmasötik formülasyonlarda farmakolojik ajanlar için taşıyıcı olarak yaygın biçimde kullanılır. Örneğin miniemülsiyonlar, parenteral ilaç taşıyıcısı veya hedef dokulara ilaç iletim aracı olarak işlev görebilir. Kapsüllenen etkin bileşiklerin yüksek biyoyararlanımının yanı sıra miniemülsiyonların avantajları, yüksek biyouyumlulukları, biyobozunurlukları, kararlılıkları ve büyük ölçekte üretimlerinin kolay olmasıdır. Yapısal özellikleri sayesinde hem hidrofobik hem de amfipatik molekülleri bünyelerine katabilirler. Ultrasonik olarak hazırlanan nanoemülsiyonlara tokoferoller, vitaminler, kurkumin ve birçok başka farmakolojik madde yüklenmiştir.
Hielscher ultrasonik sistemleri, ilaç yüklü nanoemülsiyonların hazırlanması için güvenilir emülsifikatörlerdir. Hielscher, ultrasonik emülsifikasyonda emülsifikasyon sürecini optimize etmek için çeşitli aksesuarlar sunar. Hielscher MultiPhaseCavitator aksesuarı, ikinci fazın çok dar bir akış halinde doğrudan emülsifikasyonun ultrasonik sıcak nokta bölgesine enjekte edildiği ultrasonik akış hücreleri için benzersiz bir eklentidir.
UP400ST sonikatörü biyoyararlanımı artırılmış farmasötik nanosüspansiyonların formülasyonu için kullanılır.
Gıda Kullanımına Uygun Nanoemülsiyonlar
Nanoemülsiyonlar, gıda ürünlerinin formülasyonu için çeşitli avantajlar sunar. Nanoemülsiyonlar, yerçekimi etkisiyle ayrışmaya, flokülasyona ve koalesansa karşı iyi kararlılık gösterir ve küçük damlacık boyutları ve geniş yüzey alanları sayesinde işlevsel bileşenlerin kontrollü salımını ve/veya emilimini sağlar. Ayrıca besin öğelerinin ve etkin maddelerin iletimi için önemli olan, etkin bileşiklerin yüksek biyoyararlanımını sunarlar. Bunun yanında, saydam veya görünür biçimde yarı saydam oldukları ve submikron / nano boyutlu damlacıkları pürüzsüz ve kremsi bir ağız hissi oluşturduğu için iyi formülasyon özellikleri sunarlar. Bu nedenle kararlı nanoemülsiyonların üretimi, gıda endüstrisinde her alanda karşılaşılan bir görevdir; örneğin vitamin veya yağ asitleriyle zenginleştirilmiş ürünlerin (ör. C vitamini, E vitamini, bitki tohumlarından veya balık yağından elde edilen omega-3, omega-6, omega-9) formüle edilmesi ya da aromalı ürünlerin (ör. uçucu yağlarla) üretilmesi için kullanılır.
Ultrasonik olarak disperse edilmiş bir nanoemülsiyonun (suda lavanta yağı emülsiyonu) nano boyutlu damlacık dağılımı. Emülsiyon, UP400St ultrasonik probu ile hazırlanmıştır.
Kozmetik Nanoemülsiyonlar
Özellikle yağ içinde su (W/O) nanoemülsiyonları, biyoaktif hidrofilik maddelerin nano ölçekli damlacıklar içinde kapsüllenmesi için (tekli veya çift emülsiyonlarda) çeşitli avantajlar sunar.
Kozmetik emülsiyonların ultrasonik yöntemlerle yüzey aktif madde kullanılmadan formüle edilmesi hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Miniemülsiyon Polimerizasyonu
Ultrasonik destekli miniemülsiyon polimerizasyonu, inorganik parçacıkların kapsüllenmesinden lateks parçacıklarının sentezine kadar çeşitli süreçlerde uygulanır. Yüksek güçlü ultrasonun polimerizasyon, sentez vb. kimyasal reaksiyonlara uygulanması sonokimya olarak bilinir.
Sonokimya, lateksin ultrasonik sentezi ve ultrasonik çöktürme hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Emülsiyonların Stabilizasyonu
Bazı nanoemülsiyonlar, nano ölçekli damlacık boyutu ve dağılımı sayesinde herhangi bir yüzey aktif madde veya emülgatör kullanılmadan raf ömrü boyunca kararlı kalabilirken, diğer nanoemülsiyonlar uzun süreli kararlılık ve optimum ürün kalitesi elde etmek için stabilizatörlerin kullanılmasını gerektirir. Stabilizasyon, yüzey aktif maddeler (tensidler) veya stabilizatör görevi gören katı parçacıklar eklenerek sağlanabilir. Katı parçacıklarla stabilize edilen emülsiyonlar Pickering emülsiyonları olarak bilinir. Laktoz, albümin, lesitin, kitosan, siklodekstrin, maltodekstrin, nişasta vb., Pickering emülsiyonlarında kolloidal stabilizatör olarak kullanılabilir. Ultrasonik olarak oluşturulan Pickering emülsiyonları hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Ultrasonik emülsifikasyon, tüm emülsiyon türleri için uygulanabilir. Belirli bir emülsiyon için stabilizatör gerekip gerekmediği küçük ölçekte kolayca test edilebilir.
Küreler için yüzey alanının hacme oranı (S/V), S/V = 3/R ile verildiğinden, damlacık boyutu azaldıkça gerekli yüzey aktif madde miktarının arttığını dikkate alın. Örneğin bir parçacığın veya damlacığın çapı ne kadar küçükse, hacmine göre yüzey alanı o kadar büyüktür.
Ultrasonik Emülsifikasyon Ekipmanı
Kararlı submikron ve nanoemülsiyonların üretimi, güçlü ultrasonik ekipman gerektirir. Hielscher ultrasonik emülsifikasyon ekipmanı, yoğun bir akustik alan oluşturmak için çok yüksek genlikler sağlar (endüstriyel sonikatörlerde 200µm’ye kadar; talep üzerine daha yüksek genlikler).
Ancak kararlı nanoemülsiyonların üretimi için yüksek güçlü ultrason ekipmanı tek başına çoğu zaman yeterli değildir. Nano boyutlu damlacıklar elde etmek ve hem sulu fazın hem de yağ fazının birbirinin içinde homojen biçimde disperse olmasını sağlamak için yeterli ultrasonik gücün yanı sıra proses parametrelerinin hassas kontrolü ve gelişmiş aksesuarlar (sonotrotlar, akış hücresi reaktörleri, soğutma gibi) gereklidir.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Çok dar bir damlacık dağılımına sahip üstün emülsiyonlar üretmek için Hielscher, benzersiz bir akış hücresi eklentisi olan MultiPhaseCavitator ürününü geliştirmiştir. Bu özel akış hücresi eklentisiyle emülsiyonun ikinci fazı, 48 küçük kanül aracılığıyla sürekli olarak kavitasyon bölgesine enjekte edilir. Bu teknoloji, çok küçük nano boyutlu damlacıkların ve yüksek kararlılığa sahip emülsiyonların güvenilir ve etkili biçimde üretilmesini sağlar.
Hielscher Ultrasonics, optimum işleme sonuçları için üstün ultrasonik sistemler ve aksesuarlar sağlama konusunda uzmanlaşmıştır. Ultrasonik işleme alanındaki uzun yıllara dayanan deneyimimiz ve müşterilerimizle yakın iş birliğimiz, ultrasonik yöntemlerin üretim hatlarına başarıyla uygulanmasını sağlar.
İlk testler, proses geliştirme ve proses optimizasyonu için tam donanımlı bir proses laboratuvarı ve teknik merkez sunuyoruz.
Ayrıca kapsamlı danışmanlık, özelleştirilmiş ultrasonik sistemlerin geliştirilmesi ve kurulum, eğitim ve bakım için kapsamlı teknik hizmet sunuyoruz.
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksek | Birlikte çalışan cihaz grubu: UIP16000 |
Bize Ulaşın! / Bize Sorun!
Bilinmesi Gerekenler
Emülsiyonlar, Damlacık Boyutu ve Yüzey Aktif Maddeler
Emülsiyonlar, birbiriyle karışmayan iki sıvı olarak tanımlanır: Sıvılardan biri – dağılmış veya iç faz olarak adlandırılan faz – sürekli veya dış faz olarak bilinen diğer sıvının içinde küresel damlacıklar halinde dağılır. Emülsiyon oluşturmak için kullanılan en yaygın sıvılar yağ ve sudur. Yağ fazı su/sulu faz içinde dağıldığında sistem, su içinde yağ emülsiyonudur; su/sulu faz yağ fazı içinde dağıldığında ise yağ içinde su emülsiyonudur. Emülsiyonlar, parçacık boyutlarına ve termodinamik kararlılıklarına göre makroemülsiyonlar, mikroemülsiyonlar ve nanoemülsiyonlar olarak sınıflandırılır.
Nanoemülsiyonlar
Nanoemülsiyonlar, nano boyutlu damlacıklardan oluşan nanopartikül dispersiyonlarıdır. Yüksek güçlü ultrasonun yüksek kesme kuvvetleri, damlacıkları parçalayarak çaplarını submikron ve nano ölçeğe indirir. Genel olarak daha küçük damlacık boyutları, daha yüksek emülsiyon kararlılığı sağlar. Nanoemülsiyonlar O/W (su içinde yağ), W/O (yağ içinde su) veya W/O/W ve O/W/O gibi çoklu/çift emülsiyonlar olarak sınıflandırılabilir. Nanoemülsiyonlar, kıvamlarına ve damlacık boyutlarına bağlı olarak (görünür spektrumda) saydam veya hatta yarı saydamdır. Nanoemülsiyonlar genellikle 20 ile 200nm arasındaki damlacık boyutuyla tanımlanır. Damlacık boyutu azaldıkça emülsiyonun koalesans eğilimi azalır (Ostwald olgunlaşmasının azalması).
Nanomalzemeler ve nanoemülsiyonlar, mikroemülsiyonlardan farklı fiziksel özelliklerle karakterize edilir. Nano boyutlu parçacıklar ya tamamen farklı özellikler gösterir ya da tipik özellikleri çok uç bir biçimde ortaya çıkar. Damlacıkları görünür spektrumun optik dalga boylarıyla etkileşime giremeyecek kadar küçük olduğundan, nanoemülsiyonların görünümü mikron boyutlu emülsiyonlardan farklıdır. Bu nedenle nanoemülsiyonlar çok az ışık saçılımı gösterir ve saydam veya optik olarak yarı saydam görünür.
Bir emülsiyonun damlacık boyutu; yağ fazının bileşiminden, hem sürekli hem de dağılmış fazın ara yüzey özelliklerinden ve viskozitesinden, emülgatör/yüzey aktif madde türünden, emülsifikasyon sırasındaki kesme hızından ve yağ fazının sudaki çözünürlüğünden etkilenir.
Nanoemülsiyonlar; ilaç iletimi, gıda ve içecekler, kozmetik, ilaçlar ve malzeme bilimi ve sentezi gibi çeşitli uygulamalarda yaygın biçimde kullanılır.
Yüzey Aktif Maddeler
Emülgatörler, kararlı bir emülsiyon / nanoemülsiyon hazırlamak için temel bir unsurdur. Emülgatörler, damlacığın çevresinde koruyucu bir tabaka oluşturan ve ara yüzey gerilimini azaltarak Ostwald olgunlaşmasını, koalesansı ve kremalaşmayı önleyen yüzey aktif maddelerdir.
Yüzey aktif madde türleri:
- Küçük moleküllü yüzey aktif maddeler: Tween ve Span gibi iyonik olmayan emülgatörler, oral, parenteral ve dermal yolla uygulandıklarında düşük toksisite ve tahriş etkisi gösterir ve bu nedenle iyonik emülgatörlere tercih edilir. Tween ve Span, gıda, ilaç ve kozmetik endüstrisindeki emülsiyon formülasyonları için tercih edilen stabilizatörlerdir.
Tween türleri: Tween 20/60/80, polisorbat 20/60/80 olarak bilinir (PEG-20 dehidrate sorbierit monolaurat, PEG-20 dehidrate sorbierit monostearat, polioksietilen sorbitan monooleat). Bunlar sorbitolden türetilen iyonik olmayan yüzey aktif maddeler / emülgatörlerdir. Su, etanol, metanol veya etil asetatta kolayca çözünürler, ancak mineral yağda yalnızca az miktarda çözünürler.
Span türleri: Span20/40/60/80, emülsifiye etme, disperse etme ve ıslatma özelliklerine sahip iyonik olmayan yüzey aktif maddeler olan sorbitan yağ asidi esterleri / sorbitan esterleridir. Span yüzey aktif maddeleri, sorbitolün dehidrasyonu ile üretilir. - Fosfolipitler: yumurta sarısı, soya veya süt lesitini
- Amfifilik proteinler: peynir altı suyu protein izolatı, kazeinat
- Amfifilik polisakkaritler: Arap zamkı, modifiye nişastalar
Literatür / Kaynaklar
- 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, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörleri laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe kadar üretir.