Hochschermischer für die Zahnpastaherstellung

Die Herstellung von Zahnpasta ist ein anspruchsvoller Prozess, der Mischanlagen erfordert, die viskose Pasten, hohe Feststoffkonzentrationen und abrasive Partikel verarbeiten können. Ultraschall-Hochschermischer erzeugen intensive Scherkräfte, die eine gründliche Benetzung von Pulvern, eine gleichmäßige Homogenisierung kolloidaler Suspensionen und eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung ermöglichen. Ultraschall-Hochschermischer sind im industriellen Maßstab verfügbar, können große Volumenströme verarbeiten und sind Ihre zuverlässigen Arbeitspferde in der Zahnpastaherstellung!

Zahnpastaherstellung

Zahnpasten, Zahnputzmittel und Gele bestehen aus den vier Hauptkomponenten Wasser, Putzkörpern, Fluoriden und waschaktiven Substanzen. Während der Wassergehalt meist zwischen 20 und 45% liegt, bilden Putzkörper mit mindestens 50% den Hauptbestandteil der Zahnpastarezeptur. Häufig verwendete Putzkörper sind Partikel aus Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), Calciumcarbonat (CaCO₃), Natriumcarbonat, verschiedenen Calciumhydrogenphosphaten, hydratisierten Kieselsäuren, Zeolithen, Glimmer und Hydroxylapatit (Ca₅(PO₄)3OH).
Übliche Zahnpasten und Zahnputzmittel werden im Allgemeinen in den folgenden Schritten hergestellt:
Zunächst werden Wasser, Feuchthaltemittel (z. B. Sorbit, Glycerin, Propylenglykol) und weitere flüssige Bestandteile zu einer flüssigen Basis vermischt.
Um die gewünschte Rheologie und Textur der fertigen Zahnpasta zu erzielen, werden der flüssigen Basis Rheologiemodifikatoren und Bindemittel zugesetzt. Rheologiemodifikatoren und Bindemittel verleihen der Zahnpasta ihre Dickflüssigkeit und Textur. Häufig verwendete Bindemittel sind Karayagummi, Bentonit, Natriumalginat, Methylcellulose, Carrageen und Magnesiumaluminiumsilikat. Einige Rheologiemodifikatoren müssen mit einem nichtwässrigen flüssigen Bestandteil wie Glycerin oder aromatisierenden ätherischen Ölen vorgemischt werden. Alternativ kann der Rheologiemodifikator mit anderen pulverförmigen Bestandteilen vermischt werden, um die kolloidale Dispergierung zu erleichtern.
Im nächsten Schritt werden Wirkstoffe (z. B. Calciumfluorid, Zinkchlorid, Hydroxylapatit), süßende Geschmackszusätze und Konservierungsmittel in die Mischung eingearbeitet.
Anschließend wird eine Suspension mit abrasiven Partikeln und/oder Füllstoffen in die Zahnpastamischung eingearbeitet. Da Putzkörper den Hauptbestandteil bilden und in Mengen zugesetzt werden, die zu einem hohen Feststoffgehalt führen, ist für diese anspruchsvolle Aufgabe ein leistungsstarkes, zuverlässiges Hochschermischverfahren erforderlich.
Danach werden Geschmacks- und Farbzusätze hinzugefügt.
Im letzten Mischschritt wird der Rezeptur eine waschaktive Substanz oder ein Schaumbildner zugesetzt, der als Stabilisator wirkt und die gleichmäßige Verteilung der Zahnpasta beim Zähneputzen verbessert. Die waschaktive Substanz und der Schaumbildner werden mit geringer Intensität in die Zahnpastamischung eingemischt, um die Schaumbildung zu minimieren. Gängige Schaumbildner sind Natriumlaurylsulfat, Natriumlaurylsulfoacetat, Dioctylnatriumsulfosuccinat, Sulfolaurat, Natriumlaurylsarcosinat, Natriumstearylfumarat und Natriumstearyllactat.

Eine typische Grundrezeptur für Zahnpasta besteht aus:

• Wasser
• Abrasiven Partikeln
• Feuchthaltemitteln (z. B. Sorbit, Glycerin)
• Stabilisierenden Tensiden
• Rheologiemodifikatoren (Verdickungsmitteln)
• Farbstoffen
• Aromastoffen
• Konservierungsmitteln (z. B. p-Hydrozybenzoat)
• Einer waschaktiven Substanz

Je nach Art der Zahnpasta werden weitere Wirkstoffe wie Bakterizide, Bleichmittel, Fluorid usw. zugesetzt.

Natürliche Clean-Label-Zahnpasten

Hersteller von Bio- und Naturzahnpasten formulieren ihre Produkte ausschließlich mit biozertifizierten und/oder natürlichen Inhaltsstoffen. Marken für natürliche Zahnpasta bedienen die Nachfrage gesundheitsbewusster Verbraucher, die auf künstliche Inhaltsstoffe verzichten möchten, wie sie häufig in herkömmlichen Zahnpasten enthalten sind. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Clean-Label-Produkten bieten immer mehr kleinere sowie größere bekannte Marken Clean-Label-Zahnpasten an. Ultraschallmischer eignen sich auch ideal für die Herstellung im kleinen und mittleren Maßstab. Als nichtthermisches, rein mechanisches Mischverfahren verändert die Ultraschallbehandlung natürliche Bio-Rezepturen nicht. Ultraschallmischen ist mit natürlichen Inhaltsstoffen wie Natron, Aloe vera, Eukalyptusöl, Myrrhe, Pflanzenextrakten (z. B. Salbei-, Minz-, Erdbeerextrakt) und ätherischen Ölen (z. B. aus Minze, Krauseminze und Zimt) kompatibel.
Erfahren Sie mehr über Ultraschall-Schermischer für die Herstellung von Clean-Label-Kosmetikprodukten!

Wie funktioniert Hochschermischen mittels Ultraschall?

Ultraschall-Hochschermischer nutzen dasselbe mechanische Prinzip wie andere gängige industrielle Mischsysteme; beispielhaft genannt seien Hochscher-Blattmischer, Mehrwellenmischer, Kolloidmühlen, Hochdruckhomogenisatoren und Blattrührwerke. Ultraschall-Hochschermischer werden häufig zum Dispergieren und Mahlen von Partikeln, zum Emulgieren von Öl- und Wasserphasen, zum Benetzen und Solubilisieren von Feststoffen sowie zur Herstellung homogener Mischungen verschiedenster Flüssigkeiten und Suspensionen eingesetzt. Ultraschallmischer übertragen die hohen Scherkräfte über eine Sonotrode in einen Mischbehälter, beispielsweise einen Chargentank oder eine Durchflusszelle. Die Sonotrode des Ultraschallmischers schwingt in der Flüssigkeit mit sehr hoher Frequenz und hohen Amplituden und erzeugt dadurch intensive Ultraschallkavitation mit Kavitationsblasen im Medium. Der Kollaps der Kavitationsblasen erzeugt starke Scherkräfte, die Tröpfchen, Agglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel aufbrechen und zerkleinern. Da Ultraschallkavitation schnelle Kavitationsströmungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h erzeugt, beschleunigen die kavitationsbedingten Flüssigkeitsstrahlen die Partikel. Wenn die beschleunigten Partikel miteinander kollidieren, wirken sie als Mahlkörper. Dadurch zerbrechen die kollidierenden Partikel und werden auf Größen im Mikro- oder Nanometerbereich zerkleinert. Im Ultraschallkavitationsfeld wechseln die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000 bar. Ein Rotationsmischer mit 4 Mischblättern müsste mit enormen 300.000 RPM laufen, um dieselbe Frequenz wechselnder Druckzyklen zu erreichen. Herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer begrenzten Drehzahl keine nennenswerte Kavitation.

Vor und nach der Ultraschallbehandlung: Die grüne Kurve zeigt die Partikelgröße vor der Beschallung, die rote Kurve die Partikelgrößenverteilung von ultraschalldispergiertem Siliciumdioxid.

Mischen von Zahnpasta mit Ultraschall

Ultraschall-Hochschermischer können sowohl für die Chargenverarbeitung als auch für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Für hochviskose Materialien und die Verarbeitung großer Volumina wird bevorzugt ein druckbeaufschlagbarer Durchflusszellenreaktor verwendet, da dieser eine Behandlung unter intensivierten Ultraschallbedingungen ermöglicht, d. h., der Druck verstärkt die Kavitation. Darüber hinaus wird durch eine ausgeklügelte Strömungsführung, etwa in einer Passage- oder diskreten Prozessanordnung, die gesamte Zahnpastamischung gezwungen, die Ultraschallkavitationszone in der Durchflusszelle zu durchlaufen. Dies stellt sicher, dass jedes Partikel dieselbe Behandlung erhält und eine sehr gleichmäßige Dispergierung und Durchmischung erzielt wird.

Ultraschallbehandlung im Passageverfahren

Bei jedem Prozessschritt, in dem der flüssigen Basis eine neue Mischung von Inhaltsstoffen zugesetzt wird, gelangt die Pastenmischung aus einem Tank durch den Ultraschallreaktor in einen zweiten Tank. Dieses Passageverfahren gewährleistet ein äußerst zuverlässiges und gleichmäßiges Mischergebnis. Während bei einem herkömmlichen Hochschermischprozess im Chargenbetrieb länger als eigentlich nötig gemischt werden muss, um sicherzustellen, dass alle Partikel dispergiert werden, spart die Anordnung mit Ultraschall-Durchflusszelle Zeit und Energie, da die Prozesszeit auf die erforderliche Mindestbehandlungsdauer pro Partikel reduziert wird.
Beim herkömmlichen Hochschermischen im Chargenbetrieb werden einige Partikel übermäßig behandelt, während andere die aktive Mischzone nie erreichen. Der Einsatz eines Ultraschall-Durchflusszellenreaktors stellt sicher, dass jedes Partikel dieselbe Behandlung mit hohen Scherkräften erfährt. Durch das Passageverfahren wird jedes Partikel mit derselben Häufigkeit und Intensität behandelt.

Prozesstipp: Ultraschallmischen unter Druck

Die Druckbeaufschlagung des Ultraschallreaktors oder der Durchflusszelle verstärkt die akustische Kavitation. Hielscher Ultrasonics liefert verschiedene Durchflusszellen- und Reaktortypen, die problemlos mit bis zu 5 barg beaufschlagt werden können. Kundenspezifische Ultraschallreaktoren können sogar höhere Drücke von bis zu 300 barg bewältigen.

Entlüftende Wirkung von Ultraschall

Blattrührwerke und herkömmliche Hochschermischer tragen große Mengen an Gasblasen in die Mischung ein, was einen erheblichen Nachteil darstellt. Die Entlüftung der fertigen Zahnpastamischung erfordert einen zusätzlichen Prozessschritt, der Zeit und Energie kostet. Beim Ultraschallmischen ist der Einschluss von Luftblasen im Vergleich zu herkömmlichen Tankrührwerken und Hochschermischern im Allgemeinen sehr gering. Der Einsatz eines Ultraschall-Durchflusszellenreaktors verhindert den unnötigen Eintrag unerwünschter Gasblasen, da die Mischung aus dem Vorratstank in einem gleichmäßigen Strom innerhalb eines geschlossenen Systems zugeführt wird. In einer Anordnung mit Ultraschall-Durchflusszelle wird die Pastenmischung unter konstantem Druck in die Ultraschallkavitationszone geleitet. Die Ultraschall-Durchflussanordnung verhindert den unerwünschten Einschluss von Gas während des Mischvorgangs. Darüber hinaus ist die Ultraschallbehandlung eine bewährte Technik zur Entlüftung und Entgasung und fördert die Koaleszenz von Luftblasen, sodass diese an die Oberfläche steigen und entweichen können.
Erfahren Sie mehr über die Entlüftung und Entgasung mit Ultraschall!

Die Vorteile von Hochleistungs-Ultraschallmischern

Ultraschall-Hochschermischer erzeugen intensive Scherkräfte, die ausreichend auf Partikel wie Feststoffe, Tröpfchen, Kristalle und Fasern einwirken, um sie auf eine angestrebte Größe zu zerkleinern, die im Mikro- oder Nanometerbereich liegen kann. Ultraschall-Hochschermischer für den Inline-Betrieb bewältigen hohe Viskositäten und hohe Feststoffgehalte problemlos und eignen sich daher ideal für die Verarbeitung pastöser Produkte wie Zahnpasten, Zahnputzmittel und Gele. Die akustischen Scherkräfte bewirken eine gründliche Benetzung der pulverförmigen Inhaltsstoffe und vermischen sie gleichmäßig zu einer homogenen Paste.
Je nach Härte und Sprödigkeit der Partikel lassen sich die Ultraschallprozessparameter präzise einstellen, um das gewünschte Mischergebnis zu erzielen. Im Vergleich zu alternativen Mischverfahren wie Hochscher-Blattrührwerken, Hochdruckhomogenisatoren, Kolloid- oder Perlmühlen, Wellenmischern usw. bieten Ultraschall-Hochschermischer erhebliche Vorteile: die problemlose Verarbeitung abrasiver Stoffe und hoher Feststoffgehalte, eine einfache und sichere Bedienung, geringen Wartungsaufwand und Robustheit.

Chargen- und Inline-Betrieb

Die Hochleistungsmischer von Hielscher Ultrasonics können für die Chargen- und Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Abhängig von Ihrem Prozessvolumen und dem stündlichen Durchsatz kann eine Inline-Verarbeitung empfehlenswert sein. Während die Chargenverarbeitung mehr Zeit und Arbeitsaufwand erfordert, ist ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess effizienter, schneller und mit deutlich weniger Arbeitsaufwand verbunden.

Ultraschallmischer für jede Produktionskapazität

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tischgeräte und Pilotanlagen bis hin zu vollständig industriellen Ultraschallprozessoren, die Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dank dieses umfassenden Produktsortiments können wir Ihnen den Ultraschall-Schermischer anbieten, der am besten zu Ihrer Prozesskapazität und Ihren Zielen passt.
Die Maßstabsvergrößerung von einem kleineren Ultraschallmischer auf höhere Verarbeitungskapazitäten ist sehr einfach, da sich der Ultraschallmischprozess ausgehend von Ihren etablierten Prozessparametern vollständig linear skalieren lässt. Die Kapazität kann entweder durch die Installation einer leistungsstärkeren Ultraschallmischereinheit oder durch die Parallelschaltung mehrerer Ultraschallgeräte erhöht werden.

Hohe Amplituden für eine hohe Mischeffizienz

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen.

Einfache, risikofreie Tests

Ultraschallprozesse lassen sich vollständig linear skalieren. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, bei exakt gleichen Prozessparametern auf einen größeren Maßstab mit genau demselben Ergebnis übertragen werden kann. Dies macht die Ultraschallbehandlung ideal für die Produktentwicklung und die anschließende Umsetzung in der kommerziellen Herstellung.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem Arbeitspferd in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsmischer von Hielscher.

Sie können Ultraschall-Hochschermischer von Hielscher in unterschiedlichen Größen und exakt auf Ihre Prozessanforderungen abgestimmt erwerben. Von der Behandlung von Flüssigkeiten in einem kleinen Laborbecherglas bis zum kontinuierlichen Mischen von Suspensionen und Pasten im Durchfluss im industriellen Maßstab bietet Ihnen Hielscher Ultrasonics einen geeigneten Hochschermischer! Kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne die ideale Ultraschallmischer-Konfiguration!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: