استفاده از فناوری التراسونیک، یکی از بهترین روش های تولید نانو امولسیون های پایدار است.

در مقالات قبلی، در مورد التراسونیک هموژنایزر و کاربردهای آن در صنایع مختلف توضیحاتی ارائه شد. همچنین در مقالۀ نانو امولسیون سازی با التراسونیک پیش از اسپری درایر برای کپسوله کردن نیز به یکی از کاربردهای التراسونیک هموژنایزر در امولسیون سازی اشاره کردیم. در نوشتار تولید امولسیون های پیکرینگ با استفاده از التراسونیک نیز توضیح دادیم چگونه می توان بدون سورفکتانت، امولسیون های پایدار تولید کرد. در این نوشتار قصد داریم در مورد تولید نانو امولسیون پایدار با استفاده از التراسونیک و نقش دستگاه های اولتراسونیک هموژنایزر و مزیت های آنها صحبت کنیم.

نانو امولسیون‌ها (همچنین با نام‌های مینی‌امولسیون‌ها یا امولسیون‌های زیرمیکرون) در یک دسته وسیع از کاربردها در شیمی، رنگ‌ها، پوششش‌ها، صنایع آرایشی، داروسازی و غذایی استفاده می‌شوند. دستگاه های التراسونیک‌ به عنوان یک تکنیک بسیار کارآمد و قابل اعتماد برای تولید نانو امولسیون‌های پایدار با طول عمر بالا شناخته می‌شوند.

چرا از التراسونیک برای نانوامولسیون سازی استفاده کنیم؟

نانوامولسیون‌سازی اولتراسونیک یک تکنیک با استفاده از امواج التراسوند با فرکانس پایین و توان بالا است که برای ایجاد امولسیون‌های پایدار و یکنواخت با قطر خیلی کوچک در بازه 10-200 نانومتر به کار می‌رود. این تکنیک چندین مزیت نسبت به روش‌های سنتی امولسیون‌سازی دارد که آن را در کاربردهای مختلف با ارزش می‌سازد. برخی از این مزایا عبارتند از:

• اندازه یکنواخت ذرات: نانوامولسیون‌سازی با استفاده از دستگاه های التراسونیک قطره‌های کوچک و یکنواختی تولید می‌کند که پایداری و زیست فراهمی بیشتری ارائه می‌دهد. این قطره‌ها نسبت سطح به حجم بالا دارند که آنها را در کاربردهای مختلف کارا و موثرتر می‌سازد.
• پایداری بالا: نانوامولسیون‌های تولید شده توسط اولتراسونیک به دلیل اندازه کوچک و یکنواختی‌شان پایداری سینتیک بالایی دارند که آنها را در مقابل ادغام، فلوکوله شدن و رسوب‌گذاری مقاوم می‌سازد. این پایداری باعث می‌شود که در کاربردهای مختلفی از جمله صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.
• مصرف انرژی کمتر: نانوامولسیون‌سازی‌اولتراسونیک به مصرف انرژی کمتر نسبت به روش‌های سنتی امولسیونسازی مانند پمپ هموژنایزر یا میکروفلوئیداسیون نیاز دارد که آن را انرژی‌کارآمدتر و اقتصادی‌تری می‌کند.
• چند منظوره: نانوامولسیون‌سازی اولتراسونیک قابلیت گسترده‌ای را برای مواد مختلف از جمله لیپیدها، ترکیبات آب دوست و مواد نامحلول در آب دارد. این ویژگی آن را به یک فناوری چندکاره و قابل استفاده در کاربردهای متنوع می‌سازد.
•  زمان پردازش سریع: نانوامولسیون سازی التراسونیک یک فرآیند سریع است که می‌تواند در عرض چند دقیقه انجام شود، این ویژگی باعث می‌شود که برای ارتقا به مقیاس بزرگ مناسب باشد.

تشکیل نانوامولسیون‌ها با استفاده از اولتراسونیک:

امولسیون‌سازی التراسونیک از طریق اعمال موج‌های اولتراسونیک با یک سیستم مایع ایجاد می‌شود. با اعمال اولتراسوند به یک مایع، دو مکانیزم ایجاد می‌شود: میدان صوتی، موج‌هایی را ایجاد می‌کند که از طریق مایع حرکت می‌کنند و میکروتوربولانس‌ها و حرکت مرزی ایجاد می‌کنند. از این رو، فاز مرزی ناپایدار می‌شود، به گونه‌ای که فاز پخش شده (داخلی) در نهایت شکسته شده و در فاز پیوسته (خارجی) قطراتی ایجاد می‌شود. اعمال اولتراسونیک با فرکانس پایین و قدرت بالا باعث تولید کاویتیشن می‌شود (کنتیش و همکاران 2008). با کاویتیشن یا حفره‌سازی اولتراسونیک، حباب‌های میکرونی یا حفره‌هایی در محیط به دلیل چرخه‌های فشار موج اولتراسونیک ایجاد می‌شوند. میکروحباب‌ها/حفره‌ها به مرور در چند چرخه موج رشد می‌کنند تا زمانی که به شدت فروپاشی می‌کنند. این فروپاشی حباب باعث ایجاد شرایط محلی بسیار بحرانی مانند کرنش بسیار بالا، جت‌های مایع، و نرخ‌های گرمایی و سردای بسیار بالا می‌شود. (سوسلیک 1999).

نانوامولسیون دارویی:

مینی‌امولسیون‌های لیپیدی تولید شده توسط امواج اولتراسونیک، به عنوان عاملهای حامل‌ دارویی در فرمولاسیون‌های دارویی به وفور استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، مینی‌امولسیون‌ها می‌توانند به عنوان حامل داروهای تزریقی یا تجهیزات تحویل دارو به بافت‌های هدف عمل کنند. به جز زیست‌فراهمی بالای ترکیبات فعال جذب‌شده، مزایای مینی‌امولسیون‌ها در زیست سازگاری، تجزیه‌پذیری، پایداری و سهولت تولید به مقیاس بزرگ است. به دلیل خواص ساختاری آنها، می‌توانند به عنوان حامل مولکول‌های آب دوست و دو محیط دوست (اب و چربی دوست)استفاده شوند. نانوامولسیون‌های تولید شده به وسیله فرکانس‌های التراسونیک با توکوفرول، ویتامین‌ها، کورکومین و بسیاری از مواد دارویی دیگر بارگذاری می شوند. سیستم‌های اولتراسونیک آواپرداز برای تهیه نانوامولسیون‌های دارویی بارگذاری شده با انواع داروها قابل اعتماد هستند.

نانوامولسیون های گرید غذایی:

نانوامولسیون‌ها در فرمولاسیون محصولات غذایی مزایای مختلفی ایجاد می‌کنند. نانوامولسیون‌ها پایداری خوبی نسبت به جداسازی گرانشی، فلوکوله شدن و رسوب شدن نشان می‌دهند و با توجه به اندازه کوچک قطر قطرات و مساحت بزرگ سطح، آزادسازی و/یا جذب کنترل‌شده مواد مؤثر را ممکن می سازند. علاوه بر این، آنها زیست فراهمی بالایی از ترکیبات فعال ارائه می‌دهند که برای ارائه مواد مغذی و مواد فعال مهم است. علاوه بر این، ویژگی‌های فرمولاسیون خوبی ارائه می‌دهند، زیرا شفاف کامل یا شفاف رنگی هستند و قطرات زیرمیکرونی/ نانویی آن‌ها باعث حس نرم و کرمی در دهان می‌شوند. در نتیجه، تولید نانوامولسیون‌های پایدار یک کار بسیار متداول و مطلوب در صنایع غذایی است. برای مثال برای فرآیند فرمولاسیون محصولات غنی از ویتامین یا اسیدهای چرب (مانند ویتامین C، ویتامین E از امگا-3، امگا-6، امگا-9 مشتق‌شده از روغن‌های گیاهی یا روغن ماهی) یا تولید محصولات طعم دارشده (مانند اسانس‌‌ها).

توزیع قطرات نانوسایز یک نانوامولسیون پراکنده با استفاده از اولتراسونیک (امولسیون روغن لاوندر(اسطوخودوس) در آب)

نانوامولسیون‌سازی آرایشی:

نانوامولسیون‌های آب در روغن (W/O) مزایای مختلفی مخصوصاً برای کپسوله‌سازی مواد آبدوست فعال به قطرات با اندازه نانو در (در امولسیون‌های تک یا دوگانه) ارائه می‌دهند.

پلیمریزاسیون نانوامولسیون:

پلیمریزاسیون نانوامولسیون با کمک اولتراسونیک به انواع فرآیندها اعم از کپسوله‌سازی ذرات غیرفلزی تا سنتز ذرات لاتکس اطلاق می‌شود. استفاده از اولتراسوند برای واکنش‌های شیمیایی از قبیل پلیمریزاسیون، سنتز و غیره به عنوان سونوشیمی شناخته می‌شود.

پایداری امولسیون:

به علت توزیع مناسب و اندازه نانومتری قطرات در برخی از نانوامولسیون‌ها، بدون استفاده از هرگونه سورفکتانت یا امولسیفایری می‌توان آنها را نگهداری کرد. با این حال، برخی از نانوامولسیون‌ها برای دستیابی به پایداری بلندمدت و کیفیت بهینه محصول، نیاز به استفاده از عوامل پایدارکننده دارند. پایدارسازی می‌تواند با افزودن سورفکتانت‌ها (تنسیدها) یا ذرات جامد که به عنوان پایدارکننده‌ها عمل می‌کنند، انجام شود. امولسیون‌هایی که توسط ذرات جامد پایدار شده‌اند به اسم امولسیون‌های پیکرینگ شناخته می‌شوند. لاکتوز، آلبومین، لسیتین، کایتوزان، سیکلودکسترین، مالتودکسترین، نشاسته و غیره می‌توانند به عنوان پایدارکننده‌های کلوئیدی در امولسیون‌های پیکرینگ استفاده شوند.

امولسیون‌سازی اولتراسونیک می‌تواند برای انواع مختلف امولسیون‌ها انجام شود. اگر یک عامل پایدارکننده برای یک امولسیون خاص نیاز باشد، می‌توان آن را به راحتی در مقیاس کوچک آزمایش کرد. لطفاً توجه داشته باشید که مقدار سورفکتانت مورد نیاز با کاهش قطر قطره‌ها افزایش می‌یابد چرا که نسبت سطح به حجم (S/V) برای کره‌ها به صورت S/V = 3/R تعیین می‌شود. به عبارت دیگر، هر چه قطر یک ذره یا قطره کوچکتر باشد، سطح بیشتری نسبت به حجم خود دارد.

تجهیزات امولسیون سازی التراسونیک:

تولید نانوامولسیون‌های پایدار زیرمیکرونی نیازمند تجهیزات التراسونیک قدرتمند است. تجهیزات امولسیون‌سازی اولتراسونیک آواپرداز ارتعاشات بسیار بزرگ (تا 200 میکرومتر برای اولتراسونیک صنعتی) را ارائه می‌دهند تا یک میدان صوتی شدید ایجاد کند. با این حال، اغلب برای تولید نانوامولسیون‌های پایدار، تجهیزات اولتراسونیک قدرتمند به تنهایی کافی نیست. علاوه بر توان اولتراسونیک کافی، کنترل دقیق پارامترهای فرآیند و لوازم جانبی پیشرفته (مانند سونوترود، راکتور التراسونیک، خنک کننده) برای به دست آوردن قطرات نانوسایز و یک پخش یکنواخت هر دو فاز آبی و روغنی در یکدیگر ضروری است.

بیشتر بدانید

امولسیون ها، اندازه قطرات و سورفاکتانت ها:

امولسیون‌ها به عنوان دو مایع غیرقابل اختلاط تعریف می‌شوند: یکی از مایعات، مایع داخلی یا پراکنده، به عنوان قطرات کروی در داخل مایع دیگر یعنی مایع خارجی یا پیوسته پراکنده می‌شود. متداول‌ترین مایعات برای ایجاد یک امولسیون، روغن و آب هستند. وقتی فاز روغن در فاز آب / آبی پراکنده می‌شود، سیستم یک امولسیون روغن در آب است، در حالی که وقتی فاز آب / آبی در فاز روغن پراکنده می‌شود، یک امولسیون آب در روغن است. امولسیون‌ها به ترتیب اندازه ذرات و پایداری حرارتی خود به عنوان ماکرو امولسیون‌ها، میکرو امولسیون‌ها و نانو امولسیون‌ها متمایز می‌شوند.

نانو امولسیون ها:

نانوامولسیون‌ها دیسپرس نانوذراتی هستند که از قطره‌های نانوسایز تشکیل شده‌اند. نیروهای برشی التراسونیک، قطرات را شکسته و به ابعاد زیرمیکرون و نانو تبدیل می‌نماید. به طور کلی، افزایش اندازه قطره‌ها منجر به پایداری بیشتر امولسیون می‌شود. نانوامولسیون‌ها را می‌توان به عنوان O/W (روغن در آب)، W/O (آب در روغن) یا به عنوان امولسیون‌های چندگانه/دوگانه مانند W/O/W و O/W/O تقسیم کرد. نانوامولسیون‌ها شفاف یا حتی نیمه شفاف (در طیف قابل رؤیت) هستند که به ثبات امولسیون و اندازه قطره بستگی دارد. نانوامولسیون‌ها به طور کلی توسط یک قطره با اندازه بین 20 تا 200 نانومتر تعریف می‌شوند. با کاهش اندازه قطره، تمایل امولسیون به ادغام کمتر می‌شود (decreasing Ostwald ripening).

نانومواد و نانوامولسیون‌ها با ویژگی‌های فیزیکی متفاوت از میکروامولسیون‌ها مشخص می‌شوند. ذرات با ابعاد نانو خواص کاملاً متفاوتی را نشان می‌دهند یا ویژگی‌های خاص خود را به صورت بسیار شدید نشان می دهند. ظاهر قابل رؤیت نانوامولسیون‌ها متفاوت از امولسیون‌های با ابعاد میکرومتری است زیرا قطرات بسیار کوچک‌اند و با طول موج‌های نور قابل رؤیت تداخل نمی‌کنند. بنابراین نانوامولسیون‌ها بسیار کم پراکنش نور دارند و به نظر شفاف یا نیمه شفاف می‌آیند.

اندازه قطره در یک امولسیون تحت تأثیر ترکیب فاز روغن، ویژگی‌های سطحی و ویسکوزیته هر دو فاز پیوسته و پراکنده، نوع امولسیفایر/ سورفاکتانت، نرخ نیروی برشی در حین امولسیون‌سازی، و همچنین حلالیت فاز روغن در آب است. نانوامولسیون‌ها به طور گسترده در کاربردهای متنوعی مانند انتقال دارو، صنایع غذایی و نوشیدنی، آرایشی، دارویی و علم مواد و سنتز استفاده می‌شوند.

سورفاکتانت‌ها:

امولسیفایرها یک عامل ضروری برای تهیه امولسیون یا نانوامولسیون پایدار هستند. امولسیفایرها عوامل فعال سطحی هستند که یک لایه محافظ را اطراف قطره تشکیل می‌دهند و تنش مابین سطوح را کاهش داده و از اوستوالد ریپنینگ، تجمع و کرمی شدن جلوگیری می‌کنند. انواع سورفاکتانت‌ها عبارتند از:

سورفاکتانت‌های مولکول کوچک: امولسیفایرهای غیر یونی مانند توئین و اسپن سمیت، تحریک‌کنندگی کمی هنگام مصرف دهانی، تزریقی و پوستی نشان می‌دهند و به همین دلیل بر سورفاکتانت‌های یونی ترجیح داده می‌شوند. توئین و اسپن پایدارسازهای ترجیحی برای فرمولاسیون امولسیون در صنعت غذا، داروسازی و آرایشی هستند.

توئین‌ها: توئین 20/60/80 با نام‌های پلی‌سوربات 20/60/80 (پیگ-20 دهیدراته‌شده مونولارات، پیگ-20 دهیدراته‌شده مونواستئارات، پلی‌اکسی‌اتیلن سوربیتان منواولئات) شناخته می‌شوند. این مواد سورفاکتانت‌ها/ امولسیفایرهای غیر یونی مشتق‌شده از سوربیتول هستند که به راحتی در آب، اتانول، متانول یا اتیل استات حل می‌شوند، اما تقریباً در روغن معدنی حل نمی‌شوند.

اسپن‌ها: اسپن 20/40/60/80 استرهای اسیدهای چرب سوربیتان هستند، که سورفاکتانت‌های غیر یونی با خواص امولسیونی، پخشی و خیس کردن هستند. سورفاکتانت‌های اسپن از دی‌هیدراته سوربیتول تولید می‌شوند.

فسفولیپیدها: لسیتین تخم‌مرغ، لسیتین سویا یا لسیتین لبنی

پروتئین‌های آمفی‌فیلیک: پروتئین ایزوله آب پنیر، کیسئینات

پلی‌ساکاریدهای آمفی‌فیلیک: صمغ عربی ، نشاسته‌های بهبود یافته

با ما تماس بگیرید!

تیم آواپرداز با تکیه بر تجربیات خود، آمادۀ پاسخگویی به سوالات شما در زمینۀ بهبود کیفیت محصولات و افزایش ظرفیت تولید شماست. ما با دانش فنی خود، مسیر شما را در رسیدن به اهدافتان با استفاده از تکنولوژی التراسونیک هموار می کنیم و از آزمایش در فاز تحقیقاتی، تا رسیدن به تولید در مقیاس صنعتی با شما خواهیم بود. برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاورهۀ همین الان با ما تماس بگیرید.