Unverdünnt messbar

Triglyceride in Öl-Wasseremulsionen werden in der Intensivmedizin zur parenteralen Ernährung von Patienten eingesetzt. Durch die Zufuhr von hochkalorischen Ölen wird der Kalorienbedarf der Patienten gedeckt. Zur alleinigen parenteralen Ernährung über einen längeren Zeitraum muss der Patient neben kalorischer Versorgung eine Zufuhr von Elektrolyten, Aminosäuren sowie Vitaminen erhalten. Da getrennte Infusionen zu große Infusionsvolumina erfordern, werden diese Bestandteile den Fettemulsionen zugemischt. Bei den Fettbeutelmischungen ist die Partikelgröße der Öltröpfchen von entscheidender Bedeutung. Um physiologische Verträglichkeit zu gewährleisten, muss sie im Bereich der natürlichen Fettpartikel des Blutes liegen. Größere Tropfen können zu Toxizitätserscheinungen und zu koronaren Durchblutungsproblemen führen. Der Zusatz von Elektrolyten, vor allem des zweiwertigen Kalziums, verringert die physikalische Stabilität der Fettemulsion. Es kommt zu Ausflockungen und Koagulation von Partikeln. Im Gegensatz zu den elektrolytfreien Emulsionen sind die Mischungen daher nur wenige Tage bis Wochen lagerfähig.

Die traditionelle Methode der Partikelgrößenbestimmung mittels Laserbeugung erfordert eine Verdünnung der Probe. Durch diese Verdünnung können Ausflockungen, die im konzentrierten Zustand entstanden sind und in der zu verabreichenden Fettbeutelmischung vorliegen, eventuell wieder redispergiert werden. Dies gibt ein falsches, in der Regel zu kleineren Partikeln hin verschobenes Bild der Partikelgrößenverteilung. Im Gegensatz zu den optischen Messverfahren erlaubt die Ultraschallspektroskopie, die im Ultrasizer (Abb. 1) angewandt wird, eine Partikelgrößenbestimmung von Suspensionen und Emulsionen bis zu einer Konzentration der inneren Phase von 50%, das heißt die Fettemulsionen oder Fettbeutelmischungen müssen nicht verdünnt werden.

Die Technik der Ultraschallspektroskopie beruht darauf, dass Schallwellen die Probe passieren und deren Abschwächung über einen breiten Frequenzbereich gemessen wird. Die Partikelgröße lässt sich über das aufgenommene Spektrum berechnen. Dazu wird eine Software benutzt, die die physikalischen Grundlagen der Schallabschwächung in konzentrierten Systemen abbildet. Weitere Leistungsmerkmale des Ultrasizers sind:

• Messbereich von 10 nm bis 1000 µm

• Probenkonzentration von 0,5 bis 50 Vol. -%

• Frequenzbereich von 1 bis 150 MHz

• Bestimmung der Abschwächung und der Geschwindigkeit

• modularer Aufbau für auswechselbare Messzellen als feststehende Chargen- und Durchflusszellen und für kundenspezifische Zellen

• Temperiersystem mit genauer Temperaturkontrolle für temperaturabhängige Profilstudien

• Option zwischen den Rohdaten der Abschwächungsspektren, der Partikelgröße und Trendplots zu wechseln

Emulsionen zur parenteralen Ernährung werden üblicherweise durch Zugabe von Phospholipiden stabilisiert. Dadurch bildet sich ein stark negatives Zetapotential aus, wodurch die Emulsion stabil ist. Mit dem Zetasizer mit Autotitrator, der eine kontinuierliche Zudosierung der Kalziumchloridlösung während der Messung des Zetapotenials erlaubt, kann ein Zetapotentialprofil in Abhängigkeit der CaCl2-Ionen erstellt werden. Es ist zu sehen, dass durch Zugabe von Kalziumchlorid das Zetapotential stark abnimmt, da sich die positiven Kalziumionen an die negativ geladenen Phospholipidgruppen anlagern. Der isoelektrische Punkt (Zetapotential = 0) liegt bei einer Konzentration von ca. 4 mM CaCl2. Hier hat die Emulsion den instabilsten Zustand erreicht. Danach steigt das Zetapotential wieder an. Durch die Interpretation dieses Profils kann der Effekt der Destabilisierung sehr leicht vorausgesagt werden. Messungen mit dem Ultrasizer bestätigen dies.

Mit dem Ultrasizer lassen sich Änderungen der Partikelgröße der Fettemulsion in Abhängigkeit der CaCl2-Konzentration bestimmen. Abbildung 2 zeigt, wie sich die Abschwächung des Wellenspektrums während einer Titration mit 0,2 mM CaCl2- Lösung verändert. Die abgebildeten Spektren wurden für jede Elektrolytkonzentration jeweils nach einer Wartezeit von 30 min aufgenommen. Bei einer Konzentration zwischen 0 und 1,65 mM CaCl2, wurden die Abschwächungsspektren durch die Elektrolytzugabe nicht beeinflusst, das heißt, die Tropfengröße war stabil. Bei höheren Konzentrationen ließen sich deutliche Änderungen beobachten, wie eine Steigerung der Abschwächung bei niedrigen Frequenzen und einer Reduzierung bei höheren Frequenzen. Diese Änderungen werden durch die Ausflockung und Koagulation der Tröpfchen, also durch die Reduzierung des Zetapotentials hervorgerufen. Abbildung 3 zeigt die Änderung der Abschwächung als eine Funktion der Zeit bei einer Frequenz von 2 MHz. Eine entscheidende Änderung wurde beobachtet, als die Elektrolytkonzentration 2,5 mM ereichte, was als Startpunkt der Destabilisierung angesehen werden kann. Der Koagulierungsprozess war in 5 h beendet.

Die Änderung der Partikelgröße im Laufe der Destabilisierung ist in Abbildung 4 zu erkennen. Bei niedrigen CaCl2-Konzentrationen wird mit dem Ultrasizer eine mittlere Partikelgröße von 180 nm gemessen. Ein starkes Wachstum der Partikel lässt sich beim Ansteigen der Elektrolytkonzentration über 2,5 mM beobachten. Ebenso steigt die geometrische Abweichung ab diesem Moment stark an, ein Indikator für eine sehr breite Partikelgrößenverteilung, die aus den in diesem Moment noch vorhanden kleinen Primärpartikeln und bereits entstehenden Koagulaten zu erklären ist. Mit der Zeit jedoch pendelte sich die Partikelgröße allmählich auf etwa 700 nm ein. Die Breite der Verteilung nimmt wieder deutlich ab. Das zeigt, dass nahezu alle der ursprünglichen Primärpartikel nun koaguliert sind.

Durch die Messung der Partikelgröße im unverdünnten Zustand der Dispersion lässt sich das Ausmaß der Koagulation bestimmen. Der Ultrasizer erlaubt die Beobachtungen in der Konzentration der Emulsion wie sie auch beim Patienten angewandt wird. Verfälschungen durch Verdünnen oder komplizierte Verdünnungsprozeduren, um die nötigen Umgebungsbedingungen zu erhalten, werden dadurch eliminiert. Die Bestimmung der Partikelgröße in der Arbeitskonzentration ist für viele andere Anwendungen im Pharma- und Foodbereich, der Keramik, bei Farben und Lacken sowie in vielen Bereichen der Chemie ein entscheidender Schritt zur direkten Bestimmung des Endproduktes und zur Optimierung von Prozessen. Die Anwendungsbereiche des Ultrasizer umfassen dabei:

• Beobachtung der Partikelgrößenreduzierung und -vergrößerung in Suspensionen und Emulsionen

• Prüfung der Auswirkung von Homogenisationszeiten oder Schergeschwindigkeiten auf Emulsionen

• Beobachtung des Einflusses der Mahlbedingungen auf anorganische und organische Pigmente, Keramik und Mineralien

• Bestimmung der Parameter, die die Kristallisationsgeschwindigkeit, Kristallbildung und Wachstumskinetiken beeinflussen

• Messung der Effekte von oberflächenaktiven Stoffen und anderen Additiven

• Optimierung des Prozesses und Auswahl effizienter Rohmaterialien

• Optimierung und Einschätzung der Stabilität disperser Systeme, wobei sowohl Aggregationsstudien als auch die Bestimmung der Auflöserate in Emulsionen und Suspensionen möglich ist

• Optimierung des Polymerisationsprozesses durch die Kontrolle des Polymerwachstums und somit der Verhütung von Koagulaten

E cav 301