Mezcladoras de alto cizallamiento para la fabricación de dentífricos

La fabricación de dentífricos es un proceso exigente que requiere equipos de mezclado capaces de manejar pastas viscosas, altas concentraciones de sólidos y partículas abrasivas. Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento proporcionan fuerzas de cizallamiento de alta intensidad que permiten una humectación completa de los polvos, una homogeneización uniforme de los lodos coloidales y una distribución uniforme del tamaño de las partículas. Disponibles a escala industrial y capaces de procesar flujos de gran volumen, los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento son su caballo de batalla en la fabricación de dentífricos.

Fabricación de pasta de dientes

Las pastas dentífricas, los dentífricos y los geles constan de cuatro componentes principales: agua, abrasivos, fluoruros y detergentes. Mientras que el contenido de agua oscila entre el 20 y el 45%, los abrasivos son los principales componentes que contribuyen con al menos el 50% a la formulación de la pasta de dientes. Entre los abrasivos más utilizados se encuentran las partículas de hidróxido de aluminio (Al(OH)₃), carbonato cálcico (CaCO₃), carbonato sódico, diversos hidrogenofosfatos cálcicos, sílices hidratadas, zeolitas, mica e hidroxiapatita (Ca₅(PO₄)3OH).
Las fórmulas habituales de dentífricos y pastas de dientes se fabrican generalmente siguiendo los pasos que se indican a continuación:
En un primer momento, se mezclan agua, humectante (por ejemplo, sorbitol, glicerina, propilenglicol) y otros ingredientes líquidos para obtener una base líquida.
Para obtener una determinada reología y textura de la pasta dentífrica final, se añaden modificadores reológicos y aglutinantes a la base líquida. Los modificadores reológicos y los aglutinantes confieren al dentífrico su espesor y textura. Entre los aglutinantes más utilizados se encuentran la goma karaya, la bentonita, el alginato sódico, la metilcelulosa, la carragenina y el silicato de aluminio y magnesio. Algunos modificadores reológicos deben mezclarse previamente con ingredientes líquidos no acuosos, como glicerina o aceites esenciales aromatizantes. Alternativamente, el modificador reológico puede mezclarse con otros ingredientes en polvo para facilitar la dispersión coloidal.
En el siguiente paso, se añaden a la mezcla ingredientes activos (por ejemplo, fluoruro de calcio, cloruro de zinc, hidroxiapatita), aditivos aromatizantes edulcorantes y conservantes.
A continuación, se incorpora a la mezcla dentífrica una lechada que contiene partículas abrasivas y/o cargas. Dado que los abrasivos son el ingrediente principal, que se añaden a una carga sólida elevada, se requiere una mezcla de alto cizallamiento potente y fiable para cumplir esta exigente tarea.
Después se añaden aditivos aromatizantes y colorantes.
En el último paso de la mezcla, se añade a la formulación un detergente o espumante (agente espumante) que actúa como estabilizador y mejora la distribución uniforme de la pasta dentífrica durante el cepillado de los dientes. El detergente y el espumante se mezclan con la pasta dentífrica a una intensidad suave para minimizar la formación de espuma. Los espumantes habituales son lauril sulfato sódico, lauril sulfoacetato sódico, dioctil sulfosuccinato sódico, sulfolaurato, lauril sarcosinato sódico, estearil fumarato sódico y estearil lactato sódico.

Una formulación básica típica de dentífrico consiste en:

• agua
• partículas abrasivas
• Humectantes (por ejemplo, sorbitol, glicerina)
• Tensioactivos estabilizadores
• Modificadores reológicos (espesantes)
• Colorantes
• Aromatizantes
• Conservantes (por ejemplo, p-hidrozibenzoato)
• Detergente

Dependiendo del tipo de producto dentífrico, se añaden otros ingredientes activos como bactericidas, blanqueadores, flúor, etc.

Dentífricos naturales de marca blanca

Los fabricantes de dentífricos ecológicos y naturales formulan sus productos utilizando únicamente ingredientes naturales o con certificación ecológica. Las marcas de dentífricos naturales responden a la demanda de los consumidores preocupados por su salud, que quieren evitar los ingredientes artificiales que suelen llevar los dentífricos normales. Debido a la creciente demanda de productos de etiquetado limpio por parte de los consumidores, cada vez son más las marcas conocidas, tanto pequeñas como grandes, que ofrecen dentífricos de etiquetado limpio. Los mezcladores ultrasónicos también son ideales para la fabricación a pequeña y mediana escala. Como método de mezcla no térmico y puramente mecánico, la ultrasonicación no altera las fórmulas naturales y orgánicas. La mezcla ultrasónica es compatible con ingredientes naturales como el bicarbonato de sodio, el aloe vera, el aceite de eucalipto, la mirra, el extracto de plantas (por ejemplo, salvia, menta, extracto de fresa) y los aceites esenciales (por ejemplo, menta, hierbabuena, canela).
Más información sobre las mezcladoras de cizalla ultrasónica para la fabricación de productos de belleza de etiqueta limpia.

¿Cómo funciona la mezcla de alto cizallamiento por sonicación?

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento utilizan el mismo principio mecánico que otros sistemas de mezclado industriales de uso común, por ejemplo, mezcladores de cuchillas de alto cizallamiento, mezcladores multieje, molinos coloidales, homogeneizadores de alta presión y agitadores de cuchillas. Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan con frecuencia para dispersar y moler partículas, emulsionar fases oleosas y acuosas, humedecer y solubilizar materia sólida, así como para producir mezclas homogéneas de cualquier tipo de líquidos y lodos. Los mezcladores ultrasónicos transmiten las fuerzas de alto cizallamiento a través de una sonda ultrasónica a un recipiente de mezclado, como un depósito discontinuo o una celda de flujo. La sonda del mezclador ultrasónico vibra en el líquido a una frecuencia y amplitud muy altas, creando así intensas burbujas de cavitación ultrasónica en el medio. El colapso de las burbujas de cavitación da lugar a potentes fuerzas de cizallamiento, que desorganizan y rompen gotas, aglomerados, agregados e incluso partículas primarias. Dado que la cavitación ultrasónica genera una corriente cavitacional de alta velocidad de hasta 1.000 km/h, los chorros de líquido cavitacional aceleran las partículas. Cuando las partículas aceleradas chocan entre sí, actúan como medios de molienda. Como consecuencia, las partículas que colisionan se rompen y se reducen a tamaños micrométricos o nanométricos. En el campo de la cavitación ultrasónica, las presiones alternan rápida y repetidamente entre el vacío y hasta 1000bar. Un mezclador rotativo con 4 palas tendría que funcionar a la asombrosa velocidad de 300.000 RPM para alcanzar la misma frecuencia de ciclos de presión alterna. Los mezcladores rotativos convencionales y los mezcladores rotor-estator no crean una cantidad significativa de cavitación debido a su limitación de velocidad.

Antes y después de la sonicación: La curva verde muestra el tamaño de partícula antes de la sonicación, la curva roja es la distribución del tamaño de partícula de la sílice dispersada por ultrasonidos.

Mezclador ultrasónico de pasta de dientes

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento pueden utilizarse como procesadores en línea continuos o por lotes. Para materiales muy viscosos y procesamientos de gran volumen, es preferible utilizar un reactor de celda de flujo presurizable, ya que permite trabajar en condiciones de ultrasonidos intensificados (es decir, la presión intensifica la cavitación). Además, al utilizar una configuración de flujo sofisticada, como una configuración de paso o de proceso discreto, la mezcla completa de pasta de dientes es forzada a pasar a través de la zona de cavitación ultrasónica en la celda de flujo. Esto garantiza que cada partícula reciba el mismo tratamiento, de modo que se obtiene una dispersión y mezcla altamente uniformes.

Procesado de pasajes por ultrasonidos

En cada paso del proceso, que es cuando se añade una nueva mezcla de ingredientes a la base líquida, la mezcla pastosa pasa de un tanque a través del reactor ultrasónico a un segundo tanque. Este proceso de paso garantiza un resultado de mezcla altamente fiable y uniforme. Mientras que en un proceso convencional de mezcla por lotes de alto cizallamiento es necesario mezclar en exceso para garantizar la dispersión de todas las partículas, la configuración de la célula de flujo ultrasónica ahorra tiempo y energía, ya que el tiempo de procesamiento se reduce al tratamiento mínimo por partícula.
En la mezcla por lotes de alto cizallamiento convencional, algunas partículas se procesan en exceso, mientras que otras nunca llegan a la zona de mezcla activa. El uso de un reactor de célula de flujo ultrasónico garantiza que cada partícula reciba el mismo tratamiento de alto cizallamiento. Debido al proceso de paso, cada partícula se trata con la misma frecuencia e intensidad.

Consejo de procesamiento: Mezcla ultrasónica a presión

La aplicación de presión al reactor ultrasónico o a la célula de flujo intensifica la cavitación acústica. Hielscher Ultrasonics suministra varios tipos de reactores y celdas de flujo, que pueden presurizarse fácilmente hasta 5 barg. Los reactores ultrasónicos personalizados pueden soportar presiones aún mayores, de hasta 300 barg.

Efectos desaireantes ultrasónicos

Los agitadores de pala y los mezcladores convencionales de alto cizallamiento introducen grandes volúmenes de burbujas de gas en la mezcla, lo que supone una gran desventaja. La desaireación de la mezcla final de pasta de dientes requiere un paso de procesamiento adicional, que consume tiempo y energía. Durante el mezclado por ultrasonidos, el atrapamiento de burbujas de aire suele ser muy bajo en comparación con los agitadores de tanque convencionales y los mezcladores de alto cizallamiento. El uso de un reactor de celda de flujo ultrasónico evita la incorporación innecesaria de burbujas de gas no deseadas, ya que la mezcla se alimenta desde el tanque de retención en un flujo constante en un sistema cerrado. En una configuración de celda de flujo ultrasónico, la mezcla de pasta se alimenta a presión continua en la zona de cavitación ultrasónica. La configuración de flujo ultrasónico evita el atrapamiento no deseado de gas durante el proceso de mezcla. Además, la sonicación es una técnica bien establecida de desaireación y desgasificación y promueve la coalescencia de las burbujas de aire para que puedan subir a la parte superior y volatilizarse.
Más información sobre desaireación y desgasificación por ultrasonidos.

Ventajas de los mezcladores ultrasónicos de alto rendimiento

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento crean fuerzas de cizallamiento intensas, que tienen el impacto necesario sobre partículas como sólidos, gotitas, cristales y fibras para romperlas hasta un tamaño determinado, que puede ser micrométrico o nanométrico. Los mezcladores ultrasónicos en línea de alto cizallamiento, que manejan fácilmente viscosidades y cargas sólidas elevadas, son ideales para procesar productos pastosos como dentífricos, dentífricos y geles. Las fuerzas de cizallamiento acústicas consiguen una humectación completa de los ingredientes en polvo y los mezclan uniformemente en una pasta homogénea.
Dependiendo de la dureza y fragilidad de las partículas, los parámetros del proceso ultrasónico pueden ajustarse exactamente para conseguir el resultado de mezcla deseado. En comparación con otros métodos de mezcla alternativos, como los agitadores de cuchillas de alto cizallamiento, los homogeneizadores de alta presión, los molinos coloidales/de bolas, los mezcladores de eje, etc., los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento ofrecen grandes ventajas, como la manipulación sin problemas de abrasivos y cargas sólidas elevadas, el funcionamiento sencillo y seguro, el bajo mantenimiento y la robustez.

por lotes y en línea

Los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher Ultrasonics pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en línea. Dependiendo del volumen del proceso y del rendimiento por hora, puede ser recomendable el procesamiento en línea. Mientras que la dosificación requiere más tiempo y mano de obra, un proceso de mezcla en línea continuo es más eficaz, más rápido y requiere mucha menos mano de obra.

Mezcladores ultrasónicos para cualquier capacidad de producto

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por sistemas de sobremesa y piloto, hasta procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el mezclador de cizallamiento por ultrasonidos más adecuado para la capacidad y los objetivos de su proceso.
El escalado de un mezclador ultrasónico más pequeño a capacidades de procesamiento mayores es muy sencillo, ya que el proceso de mezcla ultrasónica puede escalarse de forma completamente lineal a partir de los parámetros de proceso establecidos. La ampliación puede realizarse instalando una unidad de mezcla por ultrasonidos más potente o agrupando varios ultrasonidos en paralelo.

Amplitudes elevadas para una gran eficacia de mezcla

Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden suministrar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.

Pruebas fáciles y sin riesgos

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que todos los resultados obtenidos con un ultrasonido de laboratorio o de sobremesa pueden escalarse hasta obtener exactamente el mismo resultado con los mismos parámetros de proceso. Esto hace que la ultrasonicación sea ideal para el desarrollo de productos y su posterior aplicación en la fabricación comercial.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede central de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

Puede comprar mezcladores de alto cizallamiento por ultrasonidos Hielscher de cualquier tamaño y configurados exactamente según los requisitos de su proceso. Desde el tratamiento de fluidos en un pequeño vaso de laboratorio hasta la mezcla continua de lodos y pastas a nivel industrial, Hielscher Ultrasonics le ofrece el mezclador de alto cizallamiento adecuado. Póngase en contacto con nosotros – estaremos encantados de recomendarle la configuración ideal para su mezclador ultrasónico.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: