Mezcladores de alto cizallamiento para la fabricación de pasta de dientes

La fabricación de pasta de dientes es un proceso exigente que requiere equipos de mezcla capaces de procesar pastas viscosas, altas concentraciones de sólidos y partículas abrasivas. Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento generan fuerzas de cizallamiento de alta intensidad que permiten una humectación completa de los polvos, una homogeneización uniforme de las suspensiones coloidales y una distribución uniforme del tamaño de las partículas. Disponibles a escala industrial y capaces de procesar grandes caudales, los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento son equipos fiables y resistentes para la fabricación de pasta de dientes.

Fabricación de pasta de dientes

Las pastas de dientes, los dentífricos y los geles se componen de cuatro ingredientes principales: agua, abrasivos, fluoruros y detergentes. Mientras que el contenido de agua suele variar entre 20 y 45%, los abrasivos son los componentes principales y constituyen al menos el 50% de la formulación de la pasta de dientes. Entre los abrasivos más utilizados se encuentran las partículas de hidróxido de aluminio (Al(OH)₃), carbonato de calcio (CaCO₃), carbonato de sodio, diversos hidrogenofosfatos de calcio, sílices hidratadas, zeolitas, mica e hidroxiapatita (Ca₅(PO₄)3OH).
Las formulaciones habituales de pastas de dientes y dentífricos se fabrican generalmente siguiendo los pasos que se indican a continuación:
En primer lugar, se mezclan agua, un humectante (p. ej., sorbitol, glicerina o propilenglicol) y otros ingredientes líquidos para obtener una base líquida.
Para obtener la reología y la textura deseadas en la pasta de dientes final, se añaden modificadores reológicos y aglutinantes a la base líquida. Los modificadores reológicos y los aglutinantes proporcionan a la pasta de dientes su consistencia y textura. Entre los aglutinantes más utilizados se encuentran la goma karaya, la bentonita, el alginato de sodio, la metilcelulosa, la carragenina y el silicato de aluminio y magnesio. Algunos modificadores reológicos requieren una mezcla previa con un ingrediente líquido no acuoso, como glicerina o aceites esenciales aromatizantes. Como alternativa, el modificador reológico puede mezclarse con otros ingredientes en polvo para facilitar la dispersión coloidal.
En el siguiente paso, se incorporan a la mezcla los ingredientes activos (p. ej., fluoruro de calcio, cloruro de zinc o hidroxiapatita), los aditivos edulcorantes y aromatizantes y los conservantes.
A continuación, se incorpora a la mezcla de pasta de dientes una suspensión que contiene partículas abrasivas y / o cargas. Dado que los abrasivos son el ingrediente principal y se añaden en cantidades que generan una elevada carga de sólidos, se requiere una mezcla de alto cizallamiento potente y fiable para realizar esta exigente tarea.
Después se añaden los aditivos aromatizantes y colorantes.
En el último paso de mezcla, se añade a la formulación un detergente o agente espumante que actúa como estabilizante y mejora la distribución uniforme de la pasta de dientes durante el cepillado. El detergente y el agente espumante se incorporan a la mezcla de pasta de dientes con una intensidad suave para minimizar la formación de espuma. Entre los agentes espumantes habituales se encuentran el laurilsulfato de sodio, el laurilsulfoacetato de sodio, el sulfosuccinato de dioctilo y sodio, el sulfolaurato, el laurilsarcosinato de sodio, el fumarato de estearilo y sodio y el lactato de estearilo y sodio.

Una formulación básica típica de pasta de dientes se compone de:

• Agua
• Partículas abrasivas
• Humectantes (p. ej., sorbitol, glicerina)
• Tensioactivos estabilizantes
• Modificadores reológicos (espesantes)
• Colorantes
• Aromatizantes
• Conservantes (p. ej., p-hydrozybenzoate)
• Detergente

Según el tipo de pasta de dientes, se añaden otros ingredientes activos, como bactericidas, blanqueadores, fluoruro, etc.

Pastas de dientes naturales con etiquetado limpio

Los fabricantes de pastas de dientes ecológicas y naturales formulan sus productos utilizando únicamente ingredientes con certificación ecológica y / o naturales. Las marcas de pastas de dientes naturales responden a la demanda de los consumidores preocupados por su salud, que desean evitar los ingredientes artificiales habituales en las pastas de dientes convencionales. Debido a la creciente demanda de productos con etiquetado limpio, cada vez más marcas pequeñas y grandes marcas reconocidas ofrecen pastas de dientes con 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 formulaciones naturales y ecológicas. La mezcla ultrasónica es compatible con ingredientes naturales como el bicarbonato de sodio, el aloe vera, el aceite de eucalipto, la mirra, los extractos vegetales (p. ej., de salvia, menta o fresa) y los aceites esenciales (p. ej., de menta, hierbabuena o canela).
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¿Cómo funciona la mezcla de alto cizallamiento mediante sonicación?

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento utilizan el mismo principio mecánico que otros sistemas de mezcla industriales de uso habitual, como los mezcladores de palas de alto cizallamiento, los mezcladores de varios ejes, los molinos coloidales, los homogeneizadores de alta presión y los agitadores de palas. Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan con frecuencia para dispersar y moler partículas, emulsionar fases oleosas y acuosas, humectar y solubilizar materia sólida, así como para producir mezclas homogéneas de todo tipo de líquidos y suspensiones. Los mezcladores ultrasónicos transmiten las fuerzas de alto cizallamiento mediante una sonda ultrasónica al interior de un recipiente de mezcla, como un tanque de procesamiento por lotes o una celda de flujo. La sonda del mezclador ultrasónico vibra en el líquido a una frecuencia muy alta y con amplitudes muy elevadas, generando una intensa cavitación ultrasónica con formación de burbujas en el medio. El colapso de las burbujas de cavitación genera potentes fuerzas de cizallamiento que desintegran y fragmentan gotas, aglomerados, agregados e incluso partículas primarias. Como la cavitación ultrasónica genera corrientes de cavitación de alta velocidad de hasta 1000 km/h, los chorros de líquido producidos por la cavitación aceleran las partículas. Cuando las partículas aceleradas chocan entre sí, actúan como medios de molienda. En consecuencia, las partículas que colisionan se fragmentan y se reducen a tamaños micrométricos o nanométricos. En el campo de cavitación ultrasónica, las presiones alternan rápida y repetidamente entre el vacío y valores de hasta 1000 bar. Un mezclador rotativo con 4 palas tendría que funcionar a la extraordinaria velocidad de 300.000 RPM para alcanzar la misma frecuencia de ciclos de presión alternante. Los mezcladores rotativos convencionales y los mezcladores de rotor-estator no generan una cantidad significativa de cavitación debido a su limitación de velocidad.

Antes y después de la sonicación: la curva verde muestra el tamaño de las partículas antes de la sonicación; la curva roja representa la distribución del tamaño de las partículas de sílice dispersadas mediante ultrasonidos.

Mezcla ultrasónica de pasta de dientes

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento pueden utilizarse como procesadores por lotes y en línea continua. Para materiales muy viscosos y el procesamiento de grandes volúmenes, se prefiere utilizar un reactor de celda de flujo presurizable, ya que permite trabajar en condiciones de ultrasonicación intensificadas (es decir, la presión intensifica la cavitación). Además, al utilizar configuraciones de flujo avanzadas, como una configuración de procesamiento por paso o de procesamiento discreto, se obliga a toda la mezcla de pasta de dientes a pasar por la zona de cavitación ultrasónica de la celda de flujo. Esto garantiza que cada partícula reciba el mismo tratamiento, obteniéndose una dispersión y una mezcla muy uniformes.

Procesamiento ultrasónico por paso

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

Consejo de procesamiento: mezcla ultrasónica bajo presión

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

Efectos de desaireación ultrasónica

Los agitadores de palas y los mezcladores convencionales de alto cizallamiento introducen grandes volúmenes de burbujas de gas en la mezcla, lo que constituye una desventaja importante. La desaireación de la mezcla final de pasta de dientes requiere una etapa adicional de procesamiento que consume tiempo y energía. Durante la mezcla ultrasónica, la retención de burbujas de aire suele ser muy baja en comparación con los agitadores de tanque y los mezcladores de alto cizallamiento convencionales. El uso de un reactor de celda de flujo ultrasónica evita la incorporación innecesaria de burbujas de gas no deseadas, ya que la mezcla se alimenta desde el tanque de almacenamiento con un flujo constante dentro de un sistema cerrado. En una configuración con celda de flujo ultrasónica, la mezcla de pasta se alimenta a presión continua a la zona de cavitación ultrasónica. La configuración ultrasónica de flujo continuo evita la retención no deseada de gas durante el proceso de mezcla. Además, la sonicación es una técnica consolidada de desaireación y desgasificación que favorece la coalescencia de las burbujas de aire para que puedan ascender a la superficie y volatilizarse.
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Ventajas de los mezcladores ultrasónicos de alto rendimiento

Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento generan intensas fuerzas de cizallamiento que ejercen el efecto necesario sobre partículas como sólidos, gotas, cristales y fibras para reducirlas a un tamaño objetivo, que puede situarse en el rango micrométrico o nanométrico. Los mezcladores ultrasónicos en línea de alto cizallamiento procesan fácilmente materiales de alta viscosidad y elevadas cargas de sólidos, por lo que son ideales para productos pastosos como pastas de dientes, dentífricos y geles. Las fuerzas de cizallamiento acústico permiten una humectación completa de los ingredientes en polvo y los mezclan uniformemente para formar una pasta homogénea.
Según la dureza y la fragilidad de las partículas, los parámetros del proceso ultrasónico pueden ajustarse con precisión para obtener el resultado de mezcla deseado. En comparación con métodos de mezcla alternativos, como los agitadores de palas de alto cizallamiento, los homogeneizadores de alta presión, los molinos coloidales / de perlas, los mezcladores de eje, etc., los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento ofrecen ventajas importantes, como el manejo sin problemas de abrasivos y elevadas cargas de sólidos, un funcionamiento sencillo y seguro, un mantenimiento reducido y una gran robustez.

Por lotes y en línea

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

Mezcladores ultrasónicos para cualquier capacidad de producción

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de procesadores ultrasónicos, desde sonicadores compactos de laboratorio y sistemas de sobremesa y piloto hasta procesadores ultrasónicos totalmente industriales con capacidad para procesar cargas de camión por hora. Esta gama completa nos permite ofrecerle el mezclador ultrasónico de cizallamiento más adecuado para su capacidad de procesamiento y sus objetivos.
El escalado de un mezclador ultrasónico 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. El aumento de escala puede realizarse instalando una unidad de mezcla ultrasónica más potente o agrupando varios sonicadores en paralelo.

Amplitudes elevadas para una alta eficiencia de mezcla

Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Pueden mantenerse fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua durante el funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en servicio intensivo y en entornos exigentes.

Pruebas sencillas y sin riesgo

Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal. Esto significa que cualquier resultado obtenido con un sonicador de laboratorio o de sobremesa puede escalarse para obtener exactamente el mismo resultado utilizando exactamente los mismos parámetros de proceso. Por ello, la ultrasonicación es ideal para el desarrollo de productos y su posterior implementación en la fabricación comercial.

Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los más altos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los sonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos de Hielscher los convierten en una herramienta resistente y fiable para su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica propia de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.

Puede adquirir mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento de Hielscher en distintos tamaños y configurados exactamente según los requisitos de su proceso. Desde el tratamiento de fluidos en un pequeño vaso de precipitados de laboratorio hasta la mezcla continua de suspensiones y pastas en flujo a escala industrial, Hielscher Ultrasonics le ofrece un mezclador de alto cizallamiento adecuado. Póngase en contacto con nosotros – estaremos encantados de recomendarle la configuración de mezcla ultrasónica ideal.

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: