Wissenschaftliche Abhandlungen

Hanga, MP und Holdich, RG (2014) Membranemulsification for the production of uniform poly-N-isopropylacrylamide-coated alginatearticles using internal gelation, Chemical Engineering Research and Design , 92(9), pp.1664-1673, DOI: 10.1016 /j.cherd.2013.12.010.

Durch Calciumionen vernetzte Alginatpartikel haben aufgrund der Biokompatibilität der verwendeten und gebildeten Materialien eine Reihe potenzieller Anwendungen in der biopharmazeutischen Industrie. Eine solche Verwendung ist als Mikroträger für die Zellanhaftung, das Wachstum und die anschließende Ablösung ohne die Verwendung von proteolytischen Enzymen. Ein einfaches und reproduzierbares Verfahren zur Herstellung einheitlicher Calciumalginat-Partikel mit kontrollierbaren mittleren Durchmessern, das Membranemulgierung und interne Gelierung (in der dispergierten Phase enthaltene feste Partikel) einsetzt, wird ebenso demonstriert wie die Funktionalisierung der resultierenden Kügelchen mit Amin-terminiertem Poly-N-isopropylacrylamid ( pNIPAM), um temperaturempfindliche Partikel zu bilden, indem die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Carboxylgruppen des Alginats und den Aminogruppen des modifizierten pNIPAM ausgenutzt wird. Zellanhaftungs-, Wachstums- und Ablösungsfähigkeiten dieser Kern-Schale-Strukturen wurden bewertet und erfolgreich demonstriert, indem Phasenkontrastmikroskopie und Fluoreszenzfärbung mit Calcein-AM und Ethidium-Homodimer-1 verwendet wurden.

Die für die Alginatpartikel verwendete Formulierung vermied Nicht-GRAS-Chemikalien, indem nur Reagenzien in Lebensmittelqualität und pharmazeutischer Qualität verwendet wurden. Die mittlere Partikelgröße war im Bereich zwischen 55 μm und 690 μm steuerbar, und die erzeugten Größenverteilungen waren sehr eng: „Span“-Werte so niedrig wie 0,2. Bei einer Membranporengröße von 20 µm wurde keine Membranblockade durch das für die innere Gelierung der Alginatpartikel notwendige suspendierte Calciumcarbonat beobachtet. Membranporenöffnungen mit Durchmessern von 5 und 10 &mgr;m wurden ebenfalls getestet, aber mit Calciumcarbonat-Feststoffen mit einem mittleren Durchmesser von 2,3 &mgr;m blockiert.

Laura Carballido, Miriam Dabrowski, Friederike Dehli, Lukas Koch, Cosima Stubenrauch*
Institute of Physical Chemistry
Pfaffenwaldring 55, 70569 Stuttgart, Germany
*cosima.stubenrauch@ipc.uni-stuttgart.de, 0049 711 685-64470​

Xiaolu Pu, Bettina Wolf, Marijana Dragosavac Zeitschrift für Lebensmitteltechnik
Band 247, April 2019, Seiten 178-187

Diese Studie hat erstmals gezeigt, dass komplexe Lebensmittelemulgatoren wie Stärke und Protein mit der Membranemulgiertechnologie zur Herstellung stabiler W/O/W-Emulsionen eingesetzt werden können. Verwendung einer mikroporösen Metallmembran mit einer Porengröße von 20 μm, 2 % Polyoxyethylen(20)-Sorbitanmonolaurat (Tween 20), 4 % Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA)-Stärke oder 1,5 % Erbsenproteinisolat (PPI) im Außenwasser Phase war jeweils die Mindestkonzentration, die zur Stabilisierung der W/O/W-Tröpfchen erforderlich war. Es wurden gleichmäßige mit einem Span von nur 0,45 und für mindestens 13 Tage stabile W/O/W-Emulsionen mit Tröpfchen zwischen 35 und 320 &mgr;m erhalten. Es wurde festgestellt, dass die Freisetzung eines Magnesium-Tracers aus der inneren Wasserphase von mit Xanthangummi verdickten W/O/W-Emulsionen bei Verwendung von OSA-Stärke und PPI nach 13-tägiger Lagerung auf etwa 3 % begrenzt war. Mit Tween 20 stabilisierte W/O/W-Emulsionen waren jedoch weniger stabil, da Magnesium am 13. Tag eine Freisetzung von 27 % zeigte.

Xiaolu Pu, Robert Linforth, MM Dragosavac und Bettina Wolf
J. Agric. Lebensmittel Chem.2019

Dynamische In-vitro-Aromafreisetzung über Öl-in-Wasser (o/w)- und Wasser-in-Öl-in-Wasser (w/o/w)-Emulsionen, stabilisiert mit Tween 20 oder Octenylbernsteinsäureanhydrid (OSA)-Stärke als Hydrophilie Emulgator und Polyglycerinpolyricinoleat (PGPR) als hydrophober Emulgator untersucht. Das hydrophile Aroma mit gleichem Molekulargewicht, Diacetyl (2,3-Butandion) oder relativ hydrophoberes 3-Pentanon, wurde zu den durch Hochgeschwindigkeitsmischen oder Membranemulgieren hergestellten Emulsionen gegeben, gefolgt von Eindicken mit Xanthangummi, Entfernen der Tröpfchengrößenverteilung und Aufrahmen als Variablen, die die dynamische Freisetzung beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Unterschiede von w/o/w-Emulsionen in der dynamischen Freisetzung im Vergleich zu o/w-Emulsionen hauptsächlich von der Aromahydrophobie, dem Emulsionstyp, den Emulgator-Aroma-Wechselwirkungen und der Aufrahmung abhängen. Xanthan führte zu einer reduzierten Headspace-Auffüllung. Grenzflächenadsorbierte OSA-Stärke und Xanthan-OSA-Stärke-Wechselwirkung beeinflussten die Diacetylfreisetzung über Emulsionen. OSA-Stärke allein interagierte mit 3-Pentanon. Diese Studie zeigt die potenziellen Auswirkungen von Emulgier- und Verdickungssystemen auf Aromafreisetzungssysteme und hebt hervor, dass spezifische Wechselwirkungen die Produktqualität beeinträchtigen können.

Autoren: M. Alroaithi und S. Sajjadi
Weitere Referenz: RSC Adv., 2016, 6, 79745​

Diese Arbeit konzentriert sich auf einen zweistufigen Polymerisationsprozess zur Herstellung einheitlicher Polymerperlen. Mit einem Rührkessel-Membranemulgiergerät wurden zunächst sehr gleichmäßige Tröpfchen erzeugt. Als Monomer bzw. Stabilisator wurden Methylmethacrylat (MMA) und ein bestimmter Polyvinylalkohol (PVA) verwendet. Es wurden die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter untersucht, die sich auf die Tröpfchengröße und -gleichförmigkeit auswirken, einschließlich Zuführungspolitik, Rührgeschwindigkeit, Stabilisatorkonzentration und Durchflussrate. Die Entwicklung der Tröpfchengröße und ihres Variationskoeffizienten (CV) wurden im Verlauf der Emulgierung überwacht. Es wurde eine neue Startrichtlinie eingeführt, die durch Überwachung der Tröpfchenbildung an der Membranoberfläche validiert wurde und die Ungleichmäßigkeit in der Größe der Tröpfchen beseitigte, die früh während der Emulgierung gebildet wurden. Die Mechanismen, die zur Verbreiterung der Tröpfchengrößenverteilung an der Membranoberfläche während der Bildung beitragen, wurden von denen entkoppelt, die im Emulgiergefäß während der Zirkulation wirken. Der hohe CV, der bei niedriger PVA-Konzentration und hoher Rührgeschwindigkeit erhalten wurde, wurde dem Aufbrechen der Tropfen und der Koaleszenz zugeschrieben, die in dem Emulgiergefäß stattfanden, nachdem sich Tröpfchen gebildet hatten. Der Emulgierung folgte eine durch Scherung kontrollierte Suspensionspolymerisation, um die diskreten Monomertröpfchen in Polymerkügelchen umzuwandeln. Ein weiter Bereich von Reaktorlaufradgeschwindigkeiten und PVA-Konzentrationen wurde untersucht, um die Bedingungen zu finden, unter denen die durch Membranemulgierung gebildeten Tröpfchen während der Polymerisationen nicht weiter aufbrechen oder koaleszieren, und um eine Eins-zu-eins-Kopie der anfänglichen Tröpfchen mit denselben zu erhalten Lebenslauf erreicht werden kann

Autoren: KN Loponova, BJ Deadman, J. Zhu, C. Rielly, RG Holdich, KK Hii, K. Hellgardt
Weitere Referenz: Chemical Engineering Journal, Band 329, 1. Dezember 2017, Seiten 220-230

Die Machbarkeit eines integrierten kontinuierlichen zweiphasigen Oxidationsprozesses wurde untersucht, der (i) die elektrochemische Erzeugung eines Oxidationsmittels, (ii) Membranemulgierung und einen Oszillationsflussreaktor (OFR) umfasst, um den Massentransfer in einem zweiphasigen Reaktionssystem und (iii) Produkt zu erleichtern Extraktion, um die Regeneration des Oxidationsmittels zu ermöglichen. Als Modellreaktion wurde die zweiphasige, organische Lösungsmittel-freie Dihydroxylierung von Styrol durch Ammoniumperoxodisulfat-Lösungen (einschließlich elektrochemisch erzeugtem Peroxodisulfat) sowohl im Batch als auch in einer OFR untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Erhitzen von Peroxodisulfat in einer stark sauren Lösung wesentlich ist, um das aktive Oxidationsmittel (Carosche Säure) zu erzeugen. Die Membranemulgierung ermöglichte die Überwindung von Beschränkungen des Massentransfers und reduzierte die Zeitskala der Styroloxidation von mehreren Stunden in einem herkömmlichen Rührkesselreaktor auf weniger als 50 Minuten in einer Dispersionszelle. Der Einfluss der Tröpfchengröße auf die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit in Emulsionen wurde im Detail unter Verwendung einer schnellen Bilderfassungstechnologie untersucht. Die Bildung instabiler Emulsionen wurde auch während der Oxidation in OFR gezeigt, und es wurden Produktausbeuten von > 70 % erhalten. Die für die Erzeugung feiner Tröpfchen erforderlichen Hochfrequenz-/Hochverschiebungsoszillationen verletzten jedoch das Pfropfenströmungsregime. Die Membranemulgierung wurde erfolgreich in den OFR integriert, um zweiphasige Oxidationen durchzuführen. Es war möglich, die OFR/Querstrom-Membrananordnung bei einigen Oszillationsbedingungen mit vergleichbaren Gesamtoxidationsraten im Pfropfenströmungsbereich zu betreiben. Für Tröpfchen < 60 μm wurden keine Stofftransportbeschränkungen beobachtet. Schließlich wurde die kontinuierliche Trennung nach der Reaktion in einer einzelnen OFR-Extraktionseinheit demonstriert, um eine kontinuierliche Regeneration des Oxidationsmittels zu ermöglichen

Autoren: MS Manga und DW York
Weitere Referenzen: Langmuir, 2017, 33, 36, 9050-9056

Gerührte Zellmembranemulgierung (SCME) wurde eingesetzt, um konzentrierte Pickering-Öl-in-Wasser-Emulsionen herzustellen, die ausschließlich durch pyrogene Kieselsäure-Nanopartikel stabilisiert wurden. Die optimalen Bedingungen, unter denen hochstabile und konzentrierte Emulsionen mit geringer Polydispersität unter Verwendung des SCME-Ansatzes hergestellt werden, werden hervorgehoben. Die Optimierung der Ölflussraten und der Paddelrührergeschwindigkeiten sind entscheidend, um eine Kontrolle über die Tröpfchengröße und -größenverteilung zu erreichen. Die Untersuchung des Einflusses des Ölvolumenanteils unterstreicht die Kritikalität der anfänglichen Partikelbeladung in der kontinuierlichen Phase auf die endgültige Tröpfchengröße und Polydispersität. Bei einer Partikelbeladung von 4 Gew.-% nehmen sowohl die Tröpfchengröße als auch die Polydispersität mit zunehmendem Ölvolumenanteil über 50 % zu. Wenn mehr Grenzfläche erzeugt wird, nimmt die Anzahl der in der kontinuierlichen Phase verfügbaren Teilchen ab und gleichzeitig nimmt die Kinetik der Teilchenadsorption an der Grenzfläche ab, was zu größeren polydispersen Tröpfchen führt. Die Erhöhung der Partikelbeladung auf 10 Gew.-% führt zu signifikanten Verbesserungen sowohl bei der Größe als auch bei der Polydispersität, wobei Ölvolumenanteile von bis zu 70 % mit Variationskoeffizientenwerten von nur etwa 30 % erzeugt werden, verglichen mit etwa 75 % bei Verwendung herkömmlicher Homogenisierungstechniken.

Autoren: PS Silva, VM Starov, RG Holdich
Weitere Referenz: Colloids Surf. A., Band 532, 5. November 2017, Seiten 297-304 ​

Es wird gezeigt, dass die Bildung von Tröpfchen auf Wasserbasis in einer nicht mischbaren (dh öligen) kontinuierlichen Phase unter Verwendung einer hydrophilen porösen Metallmembran ohne vorherige hydrophobe Behandlung der Membranoberfläche erreicht werden kann. Dies vermeidet die Notwendigkeit einer „Gesundheits- und Sicherheitszulassung“ typischer hydrophober Behandlungen für die Membran, bei denen häufig Chemikalien verwendet werden, die mit Pharma- oder Lebensmittelanwendungen nicht kompatibel sind. Um dies zu untersuchen, wurden Benetzungsexperimente durchgeführt: Feststehende Tropfen wurden zur Bestimmung statischer Kontaktwinkel und ein rotierendes Trommelsystem zur Bestimmung von Kontaktwinkeln unter dynamischen Bedingungen verwendet. Im letzteren Fall wurde die dreiphasige Kontaktlinie zwischen der rotierenden Trommel, Wasser und der im Emulgierverfahren verwendeten kontinuierlichen Phase beobachtet; in der kontinuierlichen Phase war ein Tensid vorhanden, das in diesem Verfahren eine doppelte Funktion hat: die Benetzung der Membran durch die kontinuierliche Phase und nicht die disperse Phase zu unterstützen und die an der Oberfläche der porösen Membran gebildeten Tröpfchen zu stabilisieren während der Membranemulgierung.

Autoren: PS Silva, VM Starov, RG Holdich
Weitere Referenz: Colloids Surf. A., Band 532, 5. November 2017, Seiten 297-304 ​

Es wird gezeigt, dass die Bildung von Tröpfchen auf Wasserbasis in einer nicht mischbaren (dh öligen) kontinuierlichen Phase unter Verwendung einer hydrophilen porösen Metallmembran ohne vorherige hydrophobe Behandlung der Membranoberfläche erreicht werden kann. Dies vermeidet die Notwendigkeit einer „Gesundheits- und Sicherheitszulassung“ typischer hydrophober Behandlungen für die Membran, bei denen häufig Chemikalien verwendet werden, die mit Pharma- oder Lebensmittelanwendungen nicht kompatibel sind. Um dies zu untersuchen, wurden Benetzungsexperimente durchgeführt: Feststehende Tropfen wurden zur Bestimmung statischer Kontaktwinkel und ein rotierendes Trommelsystem zur Bestimmung von Kontaktwinkeln unter dynamischen Bedingungen verwendet. Im letzteren Fall wurde die dreiphasige Kontaktlinie zwischen der rotierenden Trommel, Wasser und der im Emulgierverfahren verwendeten kontinuierlichen Phase beobachtet; in der kontinuierlichen Phase war ein Tensid vorhanden, das in diesem Verfahren eine doppelte Funktion hat: die Benetzung der Membran durch die kontinuierliche Phase und nicht die disperse Phase zu unterstützen und die an der Oberfläche der porösen Membran gebildeten Tröpfchen zu stabilisieren während der Membranemulgierung.