Ультразвукове виробництво стабільних наноемульсій

• Наноемульсії – також відомі як мініемульсії або субмікронні емульсії – використовуються в широкому спектрі застосувань у хімії, фарбах, покриттях, косметиці, фармацевтиці та харчовій промисловості.
• Ультразвукові гомогенізатори відомі як високоефективна та надійна техніка для виробництва довгостроково стабільних наноемульсій.

Чому ультразвук для наноемульсифікації

Ультразвукова наноемульсифікація – це техніка, яка використовує низькочастотні ультразвукові хвилі високої потужності для створення стабільних та однорідних емульсій крихітних крапель, зазвичай у діапазоні 10-200 nm. Ця техніка має кілька переваг порівняно з традиційними методами емульсифікації, що робить її кращою у різних застосуваннях. Деякі з цих переваг:

• Однорідний розмір частинок: Ультразвукова наноемульсифікація виробляє малі та однорідні краплі, які пропонують кращу стабільність та біодоступність. Ці краплі мають високе відношення площі поверхні до об’єму, що робить їх більш реакційними та ефективними у різних застосуваннях.
• Висока стабільність: Ультразвукові наноемульсії мають високу кінетичну стабільність завдяки їхньому малому розміру та однорідності, що робить їх стійкими до коалесценції, флокуляції та седиментації. Ця стабільність робить їх ідеальними для використання у харчових, фармацевтичних, косметичних та хімічних застосуваннях.
• Знижене енергоспоживання: Ультразвукова наноемульсифікація вимагає нижчого енергетичного входу, ніж традиційні методи емульсифікації, такі як гомогенізація або мікрофлюїдизація, що робить її більш енергоефективною та економічно вигідною.
• Універсальність: Ультразвукову наноемульсифікацію можна використовувати для емульсифікації широкого спектру матеріалів, включаючи ліпіди, гідрофільні сполуки та водонерозчинні речовини. Це робить її універсальною технікою, яку можна використовувати у різних застосуваннях.
  Швидкий час обробки: Ультразвукова наноемульсифікація – це швидкий процес, який можна завершити за хвилини, що робить його придатним для великомасштабного виробництва.

Загалом, ультразвукова наноемульсифікація пропонує кілька переваг порівняно з традиційними методами емульсифікації, що робить її кращою технікою для різних застосувань.

Ультразвукове формування наноемульсій

Ультразвукова емульсифікація спричиняється зв’язуванням хвиль потужного ультразвуку в рідку систему. При ультразвуковій обробці рідини відбуваються два механізми:

1. Акустичне поле генерує хвилі, які поширюються через рідину та спричиняють мікротурбулентності та міжфазний рух. При цьому гранична фаза стає нестабільною, так що дисперсна (внутрішня) фаза врешті-решт руйнується та утворює краплі в безперервній (зовнішній) фазі.
2. Застосування низькочастотного ультразвуку високої потужності генерує кавітацію (Kentish et al. 2008). При ультразвуковій кавітації в середовищі утворюються мікробульбашки або порожнини через цикли тиску ультразвукової хвилі. Мікробульбашки / порожнини зростають протягом кількох циклів хвилі, доки вони не колапсують насильно. Ця імплосія бульбашки спричиняє локально екстремальні умови, такі як дуже високі зсувні сили, рідинні струмені та екстремальні швидкості нагрівання та охолодження. (Suslick 1999).

Ці екстремальні сили руйнують первинні краплі дисперсної (внутрішньої) фази до нанорозмірних крапель та однорідно змішують їх у безперервну (зовнішню) фазу.
Читайте тут більше про ефекти ультразвукової кавітації на емульсифікацію!

Фармацевтичні наноемульсії

Ліпідні мініемульсії, отримані за допомогою ультразвуку, широко застосовуються як носії фармакологічних агентів у фармацевтичних формуляціях. Наприклад, мініемульсії можуть діяти як парентеральні носії ліків або пристрої для доставки ліків до цільових тканин. Крім високої біодоступності інкапсульованих активних сполук, переваги мініемульсій полягають у їхній високій біосумісності, біорозкладності, стабільності та простоті виробництва у великих масштабах. Завдяки своїм структурним властивостям вони можуть включати гідрофобні, а також амфіфільні молекули. Наноемульсії, підготовлені за допомогою ультразвуку, були завантажені токоферолами, вітамінами, куркуміном та багатьма іншими фармакологічними речовинами.
Ультразвукові системи Hielscher є надійними емульгаторами для підготовки наноемульсій, завантажених ліками. Для ультразвукової емульсифікації Hielscher пропонує різноманітні аксесуари для оптимізації процесу емульгування. Hielscher MultiPhaseCavitator є унікальною насадкою для ультразвукових проточних комірок, де друга фаза ін’єктується у вигляді дуже вузького потоку безпосередньо в зону ультразвукового гарячого пляму емульсифікації.

Наноемульсії харчового класу

Наноемульсії пропонують різноманітні переваги для формування харчових продуктів. Наноемульсії демонструють добру стабільність до гравітаційного розшарування, флокуляції, коалесценції та пропонують контрольоване вивільнення та/або абсорбцію функціональних інгредієнтів завдяки їхньому малому розміру крапель і великій площі поверхні. Додатково вони пропонують високу біодоступність активних сполук, що важливо для доставки поживних речовин та активних речовин. Крім того, вони пропонують добрі властивості формулювання, оскільки вони є прозорими або візуально напівпрозорими, а їхні субмікронні / нанорозмірні краплі створюють відчуття гладкості та кремовості в роті. Таким чином, виробництво стабільних наноемульсій є повсюдним завданням для харчової промисловості, наприклад, для формування продуктів, збагачених вітамінами або жирними кислотами (наприклад, вітамін C, вітамін E, омега-3, омега-6, омега-9, отримані з насіння рослин або риб’ячого жиру) або для виробництва ароматизованих продуктів (наприклад, з ефірними оліями).

Розподіл нанорозмірних крапель наноемульсії, дисперсованої за допомогою ультразвуку (емульсія лавандової олії у воді). Емульсію було підготовлено за допомогою ультразвукового зонда UP400St.

Косметичні наноемульсії

Особливо наноемульсії типу «вода в олії» (W/O) пропонують різноманітні переваги для інкапсуляції біоактивних гідрофільних речовин у нанорозмірні краплі (в одно- або двофазних емульсіях).
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про безповерхнево-активну формуляцію косметичних емульсій за допомогою ультразвуку!

Полімеризація мініемульсій

Полімеризація мініемульсій, що супроводжується ультразвуком, застосовується до різноманітних процесів – від інкапсуляції неорганічних частинок до синтезу частинок латексу. Застосування потужного ультразвуку до хімічних реакцій, таких як полімеризація, синтез тощо, відоме як сонохімія.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про сонохімію, ультразвуковий синтез латексу та ультразвукове осадження!

Стабілізація емульсій

Хоча деякі наноемульсії можуть бути стабільними при зберіганні без використання будь-яких поверхнево-активних речовин або емульгаторів завдяки нанорозмірному розміру та розподілу крапель, інші наноемульсії потребують використання стабілізуючих агентів для отримання довгострокової стабільності та оптимальної якості продукту. Стабілізація може бути досягнута шляхом додавання або поверхнево-активних речовин (тензидів), або твердих частинок, які діють як стабілізатори. Емульсії, які стабілізуються твердими частинками, відомі як емульсії Пікерінга. Лактоза, альбумін, лецитин, хітозан, циклодекстрин, мальтодекстрин, крохмаль тощо можуть використовуватися як колоїдні стабілізатори в емульсіях Пікерінга. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про емульсії Пікерінга, створені за допомогою ультразвуку!
Ультразвукову емульсифікацію можна проводити для всіх типів емульсій. Якщо для певної емульсії потрібен стабілізатор, це можна легко перевірити в малих масштабах.
Зверніть увагу, що кількість необхідного поверхнево-активної речовини зростає зі зменшенням розміру крапель, оскільки відношення площі поверхні до об’єму (S/V) для сфер задається формулою: S/V = 3/R. Наприклад, чим менший діаметр частинки або краплі, тим більша площа її поверхні відносно її об’єму.

Обладнання для ультразвукової емульсифікації

Виробництво стабільних субмікронних і наноемульсій вимагає потужного ультразвукового обладнання. Ультразвукове обладнання для емульсифікації Hielscher забезпечує дуже високі амплітуди (до 200µm для промислових ультразвукових апаратів, вищі амплітуди за запитом) для створення інтенсивного акустичного поля.
Однак для виробництва стабільних наноемульсій часто недостатньо лише потужного ультразвукового обладнання. Крім достатньої ультразвукової потужності, необхідні точний контроль параметрів процесу та складні аксесуари (такі як сонотроди, проточні реактори, охолодження), щоб отримати краплі нанорозміру та гомогенну дисперсію як водної, так і оліїної фаз одна в одній.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Щоб виробляти емульсії найвищої якості з дуже вузьким розподілом розмірів крапель, Hielscher розробив унікальний вставний елемент для проточної комірки – MultiPhaseCavitator. Завдяки цьому спеціальному додатку для проточної комірки друга фаза емульсії безперервно ін’єктується через 48 маленьких канюль у зону кавітації. Ця технологія дозволяє надійно та ефективно виробляти дуже маленькі краплі нанорозміру та високостабільні емульсії.

Hielscher Ultrasonics спеціалізується на постачанні передових ультразвукових систем та аксесуарів для оптимальних результатів обробки. Наш багаторічний досвід у ультразвуковій обробці та тісна співпраця з нашими клієнтами забезпечують успішне впровадження ультразвукових технологій у виробничі лінії.
Для початкових тестів, розробки процесу та оптимізації процесу ми пропонуємо повністю обладнану лабораторію процесів та технічний центр.
Крім того, ми пропонуємо глибокий консалтинг, розробку індивідуальних ультразвукових систем та глибокий технічний сервіс для встановлення, навчання та обслуговування.