Hochscher-Mischer für die Zahnpastaherstellung

Die Herstellung von Zahnpasta ist ein anspruchsvoller Prozess, für den Mischanlagen notwendig sind, die viskose Pasten, hohe Feststoffkonzentrationen und abrasive Partikel verarbeiten können. Ultraschallmischer erzeugen hochintensive Scherkräfte, welche für eine gründliche Benetzung der Pulver, eine gleichmäßige Homogenisierung der kolloidalen Slurries und eine engbandige Partikelgrößenverteilung sorgen. Hielscher Ultraschall-Hochschermischer sind im industriellen Maßstab verfügbar und können große Volumenströme verarbeiten. Ultraschall-Schnellmischer sind Ihre zuverlässige Maschine für der Zahnpastaherstellung!

Herstellung von Zahnpasta

Zahnpasten, Zahnputzmittel und Gele bestehen aus den vier Hauptkomponenten Wasser, Putzkörper, Fluoride und Schaumbildner. Während der Wassergehalt meist zwischen 20 und 45% variiert, sind Putzkörper ein Hauptbestandteil, der mit mindestens 50% zur Zahnpastaformulierung beiträgt. Zu den weit verbreiteten Putzkörpern gehören Partikel aus Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Kalziumkarbonat (CaCO₃), Natriumkarbonat, verschiedene Kalziumhydrogenphosphate, hydratisiertes Silca, Zeolithe, Mica und Hydroxyapatit (Ca₅(PO₄)3OH).
Gängige Zahnpasta- und Zahnputzmittel-Formulierungen werden im Allgemeinen folgendermaßen hergestellt:
Zuerst werden Wasser, Feuchthaltemittel (z.B. Sorbit, Glycerin, Propylenglykol) und andere flüssige Bestandteile miteinander vermischt, so dass eine flüssige Basis entsteht.
Um eine bestimmte Rheologie und Textur der endgültigen Zahnpasta zu erhalten, werden der flüssigen Basis Rheologiemodifikatoren und Bindemittel hinzugefügt. Rheologiemodifikatoren und Bindemittel geben der Zahnpasta ihre Dicke und Textur. Zu den häufig verwendeten Bindemitteln gehören Karayagummi, Bentonit, Natriumalginat, Methylcellulose, Carrageen und Magnesium-Aluminiumsilikat. Einige Rheologiemodifikatoren müssen mit nichtwässrigen flüssigen Inhaltsstoffen wie Glyzerin oder aromatisierenden ätherischen Ölen vorgemischt werden. Alternativ kann der Rheologiemodifikator mit anderen pulverförmigen Inhaltsstoffen gemischt werden, um die kolloidale Dispersion zu erleichtern.
Im nächsten Schritt werden aktive Wirkstoffe (z.B. Calciumfluorid, Zinkchlorid, Hydroxylapatit), süßende Geschmackszusätze und Konservierungsstoffe in die Formulierung eingemischt.
Dann wird eine Aufschlämmung mit abrasiven Partikeln und/oder Füllstoffen in die Zahnpasta-Mischung eingearbeitet. Da Schleifmittel der Hauptbestandteil sind, die zu einer hohen Feststoffbelastung zugegeben werden, ist ein leistungsstarkes, zuverlässiges Mischen mit hoher Scherkraft erforderlich, um diese anspruchsvolle Aufgabe zu erfüllen.
Danach werden Geschmacks- und Farbstoffzusätze hinzugefügt.
Im letzten Mischschritt wird der Formulierung ein Detergens oder Schaumbildner (Schaumbildner) zugesetzt, der als Stabilisator wirkt und die gleichmäßige Verteilung der Zahnpasta beim Zähneputzen verbessert. Das Detergens und der Schaumbildner werden mit einer sanften Intensität in die Zahnpastenmischung gemischt, um die Schaumbildung zu minimieren. Gängige Schaumbildner sind Natriumlaurylsulfat, Natriumlaurylsulfoacetat, Dioctylnatriumsulfosuccinat, Sulfolaurat, Natriumlaurylsarcosinat, Natriumstearylfumarat und Natriumstearyllactat.

Eine typische Zahnpasta-Grundformulierung besteht in:

• Wasser
• Abrasive Partikel / Schleifkörper
• Feuchthaltemittel (z.B. Sorbitol, Glyzerin)
• Stabilisierende Tenside
• Rheologie-Modifikatoren (Verdickungsmittel)
• Farbstoffe
• Aromastoffe
• Konservierungsstoffe (z.B. p-Hydrozybenzoat)
• Detergens

Je nach Art des Zahnpastaprodukts werden andere Wirkstoffe wie Bakterizide, Bleichmittel, Fluorid usw. hinzugefügt.

Natürliche Zahnpasten, Clean-Label-Zahnpasten

Hersteller von biologischen, natürlichen Zahnpasten formulieren Produkte, die nur biologisch zertifizierte und / oder natürliche Inhaltsstoffe verwenden. Natürliche Zahnpasta-Marken entsprechen der Nachfrage von gesundheitsbewussten Verbrauchern, die auf künstliche Inhaltsstoffe verzichten wollen, wie sie in herkömmlichen Zahnpasten üblich sind. Aufgrund der steigenden Nachfrage der Verbraucher nach Clean-Label-Produkten bieten mehr und mehr sowohl kleinere als auch größere bekannte Marken Clean-Label-Zahnpasten an. Auch Ultraschallmischer sind ideal für kleine und mittlere Produktionsmengen. Als nicht-thermisches, rein mechanisches Mischverfahren verändert Ultraschall natürliche, organische Formulierungen nicht. Ultraschallmischen ist mit natürlichen Inhaltsstoffen wie Backpulver, Aloe Vera, Eukalyptusöl, Myrrhe, Pflanzenextrakt (z.B. Salbei, Minze, Erdbeerextrakt) und ätherischen Ölen (z.B. Minze, Krauseminze, Zimt) kompatibel.
Lesen Sie mehr über Ultraschall-Hochscher-Mixer für die Herstellung von Clean-Label-Kosmetikprodukten!

Wie funktioniert das Hochscher-Mischen mittels Ultraschall?

Ultraschallmischer mit hoher Scherwirkung verwenden das gleiche mechanische Prinzip wie andere in der Industrie häufig verwendete Mischsysteme, z.B. High-Shear Blade Mixers, Mehrwellenmischer, Kolloidmühlen, Hochdruck-Homogenisatoren und Schaufelrührer. Ultraschall-High-Shear-Mischer werden häufig zum Dispergieren und Mahlen von Partikeln, zum Emulgieren von Öl- und Wasserphasen, zum Benetzen und Lösen von Feststoffen sowie zur Herstellung homogener Mischungen jeglicher Art von Flüssigkeiten und Slurries eingesetzt. Ultraschallmischer übertragen die hohen Scherkräfte über eine Ultraschallsonotrode (Ultraschallstab) in einen Mischbehälter, z.B. in einen Batch, Tank oder in eine Durchflusszelle. Die Sonotrode des Ultraschallmischers schwingt in der Flüssigkeit mit einer sehr hohen Frequenz und hohen Amplituden und erzeugt dadurch intensive Ultraschall-Kavitationsblasen im Medium. Die Implosion der Kavitationsblasen führt zu starken Scherkräften,welche Tröpfchen, Agglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel zerreißen und zerbrechen. Da die Ultraschallkavitation Hochgeschwindigkeits-Kavitationsströmungen mit bis zu 1000km/h erzeugt, beschleunigen die Kavitations-Flüssigkeitsstrahlen die Partikel. Wenn die beschleunigten Partikel miteinander kollidieren, fungieren sie als Mahlmedium. In Folge der interpartikulären Kollision zersplittern die kollidierenden Partikel und werden auf Mikron- oder Nanogrösse reduziert. Im Bereich der Ultraschall-Kavitation wechseln die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000 bar. Ein Rotationsmischer mit 4 Mischerschaufeln müsste mit erstaunlichen 300.000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, um die gleiche Frequenz der Druckwechselzyklen zu erreichen. Herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer Geschwindigkeitsbegrenzung keine nennenswerte Kavitation.

Partikelgrößenverteilung VOR (grün) und NACH (rot) der Ultraschalldispergierung: die grüne Kurve zeigt die Partikelgröße vor der Beschallung, die rote Kurve ist die Korngrößenverteilung des ultraschall-dispergierten Silicas.

Ultraschall-Zahnpasta-Mischen

Ultraschallmischer mit hoher Scherwirkung können als Batch- und kontinuierliche Inline-Prozessoren eingesetzt werden. Für hochviskose Materialien und die Verarbeitung hoher Volumina wird die Verwendung eines druckbeaufschlagbaren Durchflusszellenreaktors bevorzugt, da dies den Betrieb unter intensivierten Ultraschallbedingungen ermöglicht (d.h. Druck verstärkt die Kavitation). Darüber hinaus wird durch die Verwendung eines ausgeklügelten Strömungsaufbaus, wie z.B. einer Passage oder eines diskreten Prozessaufbaus, die gesamte Zahnpastenmischung gezwungen, die Ultraschall-Kavitationszone in der Durchflusszelle zu durchlaufen. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes Partikel die gleiche Behandlung erhält, so dass eine sehr gleichmäßige Dispergierung und Vermischung erreicht wird.

Ultraschall-Passagen-Verarbeitung

Bei jedem Verfahrensschritt, d.h. wenn der flüssigen Basis neue Zusätze hinzugefügt werden, wird die Zahnpastamischung von einem Tank durch den Ultraschallreaktor in einen zweiten Tank gepumpt. Dieser Durchlaufprozess gewährleistet ein äußerst zuverlässiges und gleichmäßiges Mischergebnis. Bei einem herkömmlichen Batch-Mischverfahren muss im Übermaß gemischt werden, um sicherzustellen, dass alle Partikel dispergiert werden. Wird eine Ultraschall-Durchflusszelle verwendet, wird der Mischprozess deutlich zeit- und energiesparender, da die Verarbeitungszeit auf die minimal notwendige Behandlung pro Partikel reduziert wird, bei der die optimale Dispergierung erzielt wird.
Bei der konventionellen Batch-Verarbeitung werden einige Partikel übermäßig bearbeitet, da sie sich permanent in der Zone der Hochscherung befinden, während einige Partikel nie in die aktive Mischzone gelangen und dementsprechend nicht dispergiert bzw. vermahlen werden. Die Verwendung eines Ultraschall-Durchflussreaktors stellt sicher, dass jedes Partikel die gleiche Behandlung bei gleich hoher Scherung erfährt. Aufgrund des Passageprozesses wird jeder Partikel mit der gleichen Häufigkeit und Intensität behandelt.

Prozess-Tipp: Ultraschall-Mischen unter Druck

Die Beaufschlagung des Ultraschallreaktors bzw. der Durchflusszelle mit Druck verstärkt die akustische Kavitation. Hielscher Ultrasonics liefert verschiedene Durchflusszelle- und Reaktortypen, die problemlos mit bis zu 5 barg unter Druck gesetzt werden können. Kundenspezifische Ultraschallreaktoren können sogar mit noch höheren Drücke von bis zu 300 barg beaufschlagt werden.

Entlüften mittels Ultraschall

Schaufelrührer und konventionelle Mischer mit hoher Scherwirkung bringen große Mengen an Gasblasen in die Mischung ein, was ein großer Nachteil ist. Die Entlüftung der endgültigen Zahnpasta-Mischung erfordert einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt, der zeit- und energieaufwändig ist. Während des Ultraschallmischens ist der Einschluss von Luftblasen im Vergleich zu herkömmlichen Tankrührwerken und Hochschermischern im Allgemeinen sehr gering. Die Verwendung eines Ultraschall-Durchflusszellenreaktors verhindert die unnötige Einlagerung unerwünschter Gasblasen, da das Gemisch in einem geschlossenen System in einem gleichmäßigen Fluss aus dem Vorratstank zugeführt wird. Bei einer Ultraschall-Durchflusszelle wird die Pastenmischung bei kontinuierlichem Druck in die Ultraschall-Kavitationszone geleitet. Der Ultraschall-Durchflussaufbau verhindert den unerwünschten Einschluss von Gas während des Mischprozesses. Darüber hinaus ist die Beschallung eine etablierte Technik zur Entlüftung und Entgasung und fördert die Koaleszenz von Luftblasen, so dass diese nach oben steigen und sich verflüchtigen können.
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Die Vorteile von Hochleistungs-Ultraschallmischern

Ultraschallmischer mit hoher Scherkraft erzeugen intensive Scherkräfte, die auf Partikel wie Feststoffe, Tröpfchen, Kristalle und Fasern die erforderliche Wirkung haben, um sie auf eine Zielgröße zu zerkleinern, die im Mikron- oder Nanobereich liegen kann. Ultraschall-Inline-Mischer mit hoher Scherkraft sind ideal für die Verarbeitung von Pastenprodukten wie Zahnpasta, Zahnputzmittel und Gele, da sie hohe Viskositäten und hohe Feststoffbelastungen problemlos verarbeiten können. Die akustischen Scherkräfte bewirken eine gründliche Benetzung der Pulverbestandteile und mischen sie gleichmäßig zu einer homogenen Paste.
Abhängig von der Härte und Sprödigkeit der Partikel können die Ultraschall-Prozessparameter exakt eingestellt werden, um das angestrebte Mischergebnis zu erreichen. Im Vergleich zu alternativen Mischverfahren wie z.B. Schaufelrührwerken, Hochdruckhomogenisatoren, Kolloid-/Perlmühlen, Wellenmischern etc. bieten Ultraschall-High-Shear-Mischer wesentliche Vorteile wie z.B. die problemlose Handhabung von abrasiven Stoffen und hohen Feststoffladungen, eine einfache und sichere Bedienung, geringen Wartungsaufwand sowie Robustheit und Langlebigkeit der Geräte.

Batch und Inline

Hielscher Ultrasonics Hochleistungsmischer können für die Batch- und Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Abhängig von Ihrem Prozessvolumen und Ihrem stündlichen Durchsatz ist die Inline-Verarbeitung unter Umständen das effizientere Ultraschallverfahren. Während das Befüllen und Entleeren der Batches zeit- und arbeitsintensiver ist, ist ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess effizienter, schneller und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand.

Ultraschallmischer für jede Produktkapazität

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Benchtop- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Verarbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den für Ihre Prozessleistung und Ziele am besten geeigneten Ultraschall-High-Shear-Mischer anzubieten.
Das Scale-up von einem kleineren Ultraschallmischer auf höhere Verarbeitungskapazitäten ist sehr einfach, da der Ultraschallmischprozess ausgehend von Ihren etablierten Prozessparametern vollständig linear skaliert werden kann. Das Up-Scaling kann entweder durch die Installation einer leistungsstärkeren Ultraschall-Mischeinheit oder durch das Clustern mehrerer Ultraschallgeräte in einer parallelen Installation erfolgen.

Hohe Amplituden für hohe Mischeffizienz

Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7 Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Benchtop-Ultraschallgerät erzielt haben, auf exakt die gleiche Leistung mit den exakt gleichen Prozessparametern hochskaliert werden kann. Dies macht Ultraschall ideal für die Produktentwicklung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle Fertigung.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

Sie können Hielscher Ultraschall-High-Shear-Mixer in jeder beliebigen anderen Größe und exakt auf Ihre Prozessanforderungen konfiguriert kaufen. Von der Behandlung von Flüssigkeiten in einem kleinen Laborbecher bis hin zum kontinuierlichen Durchflussmischen von Suspensionen und Pasten auf industrieller Ebene bietet Hielscher Ultrasonics den passenden High-Shear-Mischer für Sie! Bitte kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne den idealen Ultraschallmischer!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme: