Sản xuất nhũ tương nano ổn định bằng siêu âm

• Nhũ tương nano – còn được gọi là nhũ tương mini hoặc nhũ tương dưới micromet – được sử dụng trong nhiều ứng dụng thuộc các lĩnh vực hóa học, sơn, lớp phủ, mỹ phẩm, dược phẩm và thực phẩm.
• Thiết bị siêu âm được biết đến như một kỹ thuật có hiệu suất cao và đáng tin cậy để sản xuất nhũ tương nano ổn định lâu dài.

Tại sao nên sử dụng siêu âm để tạo nhũ tương nano

Nhũ hóa nano bằng siêu âm là kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm tần số thấp, công suất cao để tạo ra nhũ tương ổn định và đồng đều gồm các giọt rất nhỏ, thường có kích thước trong khoảng 10–200 nm. Kỹ thuật này có một số ưu điểm so với các phương pháp nhũ hóa truyền thống, giúp nó vượt trội trong nhiều ứng dụng. Một số ưu điểm này bao gồm:

• Kích thước hạt đồng đều: Nhũ hóa nano bằng siêu âm tạo ra các giọt nhỏ và đồng đều, mang lại độ ổn định và sinh khả dụng tốt hơn. Các giọt này có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, giúp chúng có khả năng phản ứng và hiệu quả cao hơn trong nhiều ứng dụng.
• Độ ổn định cao: Nhũ tương nano tạo bằng siêu âm có độ ổn định động học cao nhờ kích thước nhỏ và tính đồng đều, giúp chúng chống lại sự hợp giọt, kết bông và lắng. Độ ổn định này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và hóa học.
• Giảm tiêu thụ năng lượng: Nhũ hóa nano bằng siêu âm cần ít năng lượng đầu vào hơn các phương pháp nhũ hóa truyền thống như đồng nhất hóa hoặc vi lưu hóa, do đó tiết kiệm năng lượng và chi phí hơn.
• Tính đa dụng: Nhũ hóa nano bằng siêu âm có thể được sử dụng để nhũ hóa nhiều loại vật liệu, bao gồm lipid, các hợp chất ưa nước và các chất không tan trong nước. Điều này khiến nó trở thành một kỹ thuật đa dụng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng.
  Thời gian xử lý nhanh: Nhũ hóa nano bằng siêu âm là một quá trình nhanh, có thể hoàn thành trong vài phút, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

Nhìn chung, nhũ hóa nano bằng siêu âm mang lại một số ưu điểm so với các phương pháp nhũ hóa truyền thống, khiến nó trở thành một kỹ thuật vượt trội cho nhiều ứng dụng.
 

Sự hình thành nhũ tương nano bằng siêu âm

Quá trình nhũ hóa bằng siêu âm diễn ra nhờ truyền ghép sóng siêu âm công suất cao vào một hệ chất lỏng. Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm, hai cơ chế xảy ra:

1. Trường âm tạo ra các sóng truyền qua chất lỏng, gây nhiễu loạn vi mô và chuyển động tại bề mặt phân cách. Do đó, pha ranh giới trở nên không ổn định, khiến pha phân tán (pha nội) cuối cùng bị phá vỡ và tạo thành các giọt trong pha liên tục (pha ngoại).
2. Việc sử dụng siêu âm tần số thấp, công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực (Kentish et al. 2008). Trong quá trình xâm thực siêu âm, các vi bọt hoặc khoang rỗng hình thành trong môi trường do các chu kỳ áp suất của sóng siêu âm. Các vi bọt / khoang rỗng lớn dần qua nhiều chu kỳ sóng cho đến khi chúng sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ của bọt này tạo ra các điều kiện cực đoan tại chỗ như tác động cắt rất mạnh, các tia chất lỏng và tốc độ gia nhiệt cũng như làm nguội cực cao. (Suslick 1999).

Các lực cực mạnh này phá vỡ các giọt ban đầu của pha phân tán (pha nội) thành các giọt có kích thước nano và trộn chúng đồng đều vào pha liên tục (pha ngoại).
Đọc thêm tại đây về tác động của hiện tượng xâm thực siêu âm đối với quá trình nhũ hóa!

Nhũ tương nano dược phẩm

Nhũ tương mini lipid – được tạo ra bằng siêu âm – được sử dụng rộng rãi làm chất mang các tác nhân dược lý trong các công thức bào chế dược phẩm. Ví dụ, nhũ tương mini có thể đóng vai trò là chất mang thuốc dùng qua đường tiêm hoặc hệ đưa thuốc đến các mô đích. Bên cạnh sinh khả dụng cao của các hoạt chất được bao gói, nhũ tương mini còn có các ưu điểm như tính tương thích sinh học cao, khả năng phân hủy sinh học, độ ổn định và khả năng sản xuất dễ dàng ở quy mô lớn. Nhờ các đặc tính cấu trúc, chúng có thể chứa cả các phân tử kỵ nước lẫn các phân tử lưỡng ưa. Các nhũ tương nano được điều chế bằng siêu âm đã được nạp tocopherol, vitamin, curcurmin và nhiều chất có tác dụng dược lý khác.
Các hệ thống siêu âm của Hielscher là những thiết bị nhũ hóa đáng tin cậy để điều chế nhũ tương nano chứa thuốc. Đối với quá trình nhũ hóa bằng siêu âm, Hielscher cung cấp nhiều phụ kiện nhằm tối ưu hóa quá trình nhũ hóa. MultiPhaseCavitator của Hielscher là một phụ kiện bổ sung độc đáo dành cho các buồng dòng chảy siêu âm, trong đó pha thứ hai được bơm thành một dòng rất hẹp trực tiếp vào vùng điểm nóng siêu âm của quá trình nhũ hóa.

Nhũ tương nano đạt tiêu chuẩn dùng trong thực phẩm

Nhũ tương nano mang lại nhiều lợi ích cho việc xây dựng công thức sản phẩm thực phẩm. Nhũ tương nano có độ ổn định tốt trước hiện tượng phân tách do trọng lực, kết bông và hợp giọt, đồng thời cho phép giải phóng và/hoặc hấp thu có kiểm soát các thành phần chức năng nhờ kích thước giọt nhỏ và diện tích bề mặt lớn. Ngoài ra, chúng mang lại sinh khả dụng cao cho các hoạt chất, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với việc đưa các chất dinh dưỡng và hoạt chất vào cơ thể. Hơn nữa, chúng có các đặc tính thuận lợi cho việc xây dựng công thức vì chúng trong suốt hoặc có vẻ ngoài trong mờ, đồng thời các giọt có kích thước dưới micromet / nano tạo cảm giác mịn và béo ngậy trong miệng. Vì vậy, sản xuất nhũ tương nano ổn định là một nhiệm vụ phổ biến trong toàn ngành thực phẩm, ví dụ để xây dựng công thức các sản phẩm bổ sung vitamin hoặc axit béo (ví dụ vitamin C, vitamin E omega-3, omega-6, omega-9 có nguồn gốc từ hạt thực vật hoặc dầu cá) hoặc để sản xuất các sản phẩm có hương vị (ví dụ với tinh dầu).

Phân bố kích thước giọt nano của một nhũ tương nano được phân tán bằng siêu âm (nhũ tương dầu oải hương trong nước). Nhũ tương được điều chế bằng đầu dò siêu âm UP400St.

Nhũ tương nano mỹ phẩm

Đặc biệt, nhũ tương nano nước trong dầu (W/O) mang lại nhiều lợi ích cho việc bao gói các chất ưa nước có hoạt tính sinh học vào các giọt có kích thước nano (trong nhũ tương đơn hoặc kép).
Nhấp vào đây để đọc thêm về việc điều chế nhũ tương mỹ phẩm không chứa chất hoạt động bề mặt bằng siêu âm!

Trùng hợp nhũ tương mini

Trùng hợp nhũ tương mini có hỗ trợ siêu âm được ứng dụng trong nhiều quá trình – từ bao gói các hạt vô cơ đến tổng hợp các hạt latex. Việc ứng dụng siêu âm công suất vào các phản ứng hóa học như trùng hợp, tổng hợp, v.v. được gọi là hóa học siêu âm.
Nhấp vào đây để đọc thêm về hóa học siêu âm, tổng hợp latex bằng siêu âm và kết tủa bằng siêu âm!

Ổn định nhũ tương

Mặc dù một số nhũ tương nano có thể ổn định trong quá trình bảo quản mà không cần sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt hay chất nhũ hóa nào nhờ kích thước và phân bố giọt ở thang nano, các nhũ tương nano khác cần sử dụng chất ổn định để đạt được độ ổn định lâu dài và chất lượng sản phẩm tối ưu. Có thể ổn định nhũ tương bằng cách bổ sung chất hoạt động bề mặt (tensid) hoặc các hạt rắn đóng vai trò là chất ổn định. Các nhũ tương được ổn định bằng các hạt rắn được gọi là nhũ tương Pickering. Lactose, albumin, lecithin, chitosan, cyclodextrin, maltodextrin, tinh bột, v.v. có thể được sử dụng làm chất ổn định keo trong nhũ tương Pickering. Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về nhũ tương Pickering được tạo ra bằng siêu âm!
Có thể thực hiện nhũ hóa bằng siêu âm cho mọi loại nhũ tương. Có thể dễ dàng thử nghiệm ở quy mô nhỏ để xác định liệu một nhũ tương cụ thể có cần chất ổn định hay không.
Xin lưu ý rằng lượng chất hoạt động bề mặt cần thiết tăng khi kích thước giọt giảm, vì tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích (S/V) của hình cầu được tính bằng: S/V = 3/R. Ví dụ, đường kính của hạt hoặc giọt càng nhỏ thì diện tích bề mặt so với thể tích của nó càng lớn.

Thiết bị nhũ hóa siêu âm

Việc sản xuất nhũ tương dưới micromet và nhũ tương nano ổn định đòi hỏi thiết bị siêu âm mạnh mẽ. Thiết bị nhũ hóa siêu âm Hielscher cung cấp biên độ rất cao (lên đến 200µm đối với thiết bị siêu âm công nghiệp, có thể cung cấp biên độ cao hơn theo yêu cầu) để tạo ra trường âm cường độ cao.
Tuy nhiên, để sản xuất nhũ tương nano ổn định, chỉ riêng thiết bị siêu âm công suất cao thường là chưa đủ. Ngoài công suất siêu âm đủ lớn, cần kiểm soát chính xác các thông số quá trình và sử dụng các phụ kiện tinh vi (như đầu phát siêu âm, thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy, hệ thống làm mát) để thu được các giọt có kích thước nano và sự phân tán đồng nhất của pha nước và pha dầu vào nhau.
Hielscher MultiPhaseCavitator: Để tạo ra các nhũ tương vượt trội với phân bố kích thước giọt rất hẹp, Hielscher đã phát triển một bộ phận chèn độc đáo cho buồng dòng chảy – MultiPhaseCavitator. Với bộ phận bổ sung đặc biệt này cho buồng dòng chảy, pha thứ hai của nhũ tương được bơm liên tục qua 48 ống nhỏ vào vùng xâm thực. Công nghệ này cho phép tạo ra một cách đáng tin cậy và hiệu quả các giọt rất nhỏ có kích thước nano và các nhũ tương có độ ổn định cao.

Hielscher Ultrasonics chuyên cung cấp các hệ thống siêu âm và phụ kiện vượt trội để đạt kết quả xử lý tối ưu. Kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi trong xử lý bằng siêu âm cùng sự hợp tác chặt chẽ với khách hàng đảm bảo việc triển khai thành công công nghệ siêu âm vào các dây chuyền sản xuất.
Để thực hiện các thử nghiệm ban đầu, phát triển và tối ưu hóa quy trình, chúng tôi cung cấp phòng thí nghiệm quy trình và trung tâm kỹ thuật được trang bị đầy đủ.
Ngoài ra, chúng tôi cung cấp dịch vụ tư vấn chuyên sâu, phát triển các hệ thống siêu âm theo yêu cầu và dịch vụ kỹ thuật chuyên sâu cho việc lắp đặt, đào tạo và bảo trì.