Misturadores de elevado cisalhamento para o fabrico de pasta dentífrica

O fabrico de pasta dentífrica é um processo exigente que requer equipamento de mistura capaz de processar pastas viscosas, elevadas concentrações de sólidos e partículas abrasivas. Os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento geram forças de cisalhamento de elevada intensidade que proporcionam uma molhagem completa dos pós, uma homogeneização uniforme das suspensões coloidais e uma distribuição uniforme do tamanho das partículas. Disponíveis à escala industrial e capazes de processar fluxos de grande volume, os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento são o seu equipamento de trabalho fiável no fabrico de pasta dentífrica!

Fabrico de pasta dentífrica

As pastas dentífricas, os dentífricos e os géis são constituídos por quatro componentes principais: água, abrasivos, fluoretos e detergentes. Embora o teor de água varie geralmente entre 20 e 45%, os abrasivos são os componentes principais, representando pelo menos 50% da formulação da pasta dentífrica. Os abrasivos amplamente utilizados incluem partículas de hidróxido de alumínio (Al(OH)₃), carbonato de cálcio (CaCO₃), carbonato de sódio, vários hidrogenofosfatos de cálcio, sílicas hidratadas, zeólitos, mica e hidroxiapatite (Ca₅(PO₄)3OH).
As formulações comuns de pastas dentífricas e dentífricos são geralmente fabricadas seguindo os passos abaixo:
Primeiro, a água, o humectante (por exemplo, sorbitol, glicerina, propilenoglicol) e os outros ingredientes líquidos são misturados para obter uma base líquida.
Para obter uma determinada reologia e textura da pasta dentífrica final, são adicionados modificadores de reologia e agentes aglutinantes à base líquida. Os modificadores de reologia e os agentes aglutinantes conferem à pasta dentífrica a sua consistência e textura. Os agentes aglutinantes habitualmente utilizados incluem goma de caraia, bentonite, alginato de sódio, metilcelulose, carragenina e silicato de magnésio e alumínio. Alguns modificadores de reologia requerem uma mistura prévia com um ingrediente líquido não aquoso, como a glicerina ou óleos essenciais aromatizantes. Em alternativa, o modificador de reologia pode ser misturado com outros ingredientes em pó para facilitar a dispersão coloidal.
No passo seguinte, os ingredientes ativos (por exemplo, fluoreto de cálcio, cloreto de zinco, hidroxiapatite), os aditivos aromatizantes adoçantes e os conservantes são incorporados na mistura.
Em seguida, uma suspensão que contém partículas abrasivas e / ou materiais de enchimento é incorporada na mistura de pasta dentífrica. Como os abrasivos são o ingrediente principal e são adicionados em elevada carga de sólidos, é necessária uma mistura potente e fiável com elevado cisalhamento para realizar esta tarefa exigente.
Posteriormente, são adicionados aditivos aromatizantes e corantes.
No passo final de mistura, é adicionado à formulação um detergente ou agente espumante que atua como estabilizador e melhora a distribuição uniforme da pasta dentífrica durante a escovagem dos dentes. O detergente e o agente espumante são incorporados na mistura de pasta dentífrica com uma intensidade suave para minimizar a formação de espuma. Os agentes espumantes comuns são laurilsulfato de sódio, laurilsulfoacetato de sódio, dioctilsulfossuccinato de sódio, sulfolaurato, laurilsarcosinato de sódio, estearilfumarato de sódio e estearillactato de sódio.

Uma formulação básica típica de pasta dentífrica é constituída por:

• Água
• Partículas abrasivas
• Humectantes (por exemplo, sorbitol, glicerina)
• Tensioativos estabilizadores
• Modificadores de reologia (espessantes)
• Agentes corantes
• Agentes aromatizantes
• Conservantes (por exemplo, p-hydrozybenzoate)
• Detergente

Dependendo do tipo de pasta dentífrica, são adicionados outros ingredientes ativos, como bactericidas, agentes branqueadores, fluoreto, etc.

Pastas dentífricas naturais de rótulo limpo

Os fabricantes de pastas dentífricas biológicas e naturais formulam produtos utilizando apenas ingredientes com certificação biológica e / ou naturais. As marcas de pastas dentífricas naturais respondem à procura de consumidores preocupados com a saúde, que querem evitar os ingredientes artificiais habitualmente presentes nas pastas dentífricas convencionais. Devido à crescente procura dos consumidores por produtos de rótulo limpo, cada vez mais marcas de menor dimensão, bem como grandes marcas conhecidas, oferecem pastas dentífricas de rótulo limpo. Os misturadores ultrassónicos também são ideais para o fabrico em pequena e média escala. Como método de mistura não térmico e puramente mecânico, a sonicação não altera as formulações naturais e biológicas. A mistura ultrassónica é compatível com ingredientes naturais, como bicarbonato de sódio, aloé vera, óleo de eucalipto, mirra, extratos vegetais (por exemplo, extrato de salva, de hortelã ou de morango) e óleos essenciais (por exemplo, hortelã, hortelã-verde, canela).
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Como funciona a mistura de elevado cisalhamento por sonicação?

Os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento utilizam o mesmo princípio mecânico que outros sistemas de mistura industriais habitualmente utilizados, por exemplo, misturadores de pás de elevado cisalhamento, misturadores de múltiplos veios, moinhos coloidais, homogeneizadores de alta pressão e agitadores de pás. Os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento são frequentemente utilizados para dispersar e moer partículas, emulsionar fases oleosas e aquosas, molhar e solubilizar matéria sólida, bem como produzir misturas homogéneas de qualquer tipo de líquidos e suspensões. Os misturadores ultrassónicos transmitem as forças de elevado cisalhamento através de uma sonda ultrassónica para um recipiente de mistura, como um tanque de processamento por lotes ou uma célula de fluxo. A sonda do misturador ultrassónico vibra no líquido a uma frequência e com amplitudes muito elevadas, criando assim bolhas de cavitação ultrassónica intensa no meio. O colapso das bolhas de cavitação origina forças de cisalhamento potentes, que rompem e fragmentam gotículas, aglomerados, agregados e até partículas primárias. Como a cavitação ultrassónica gera escoamento cavitacional de elevada velocidade, até 1000km/h, os jatos de líquido cavitacionais aceleram as partículas. Quando as partículas aceleradas colidem umas com as outras, atuam como meios de moagem. Consequentemente, as partículas em colisão fragmentam-se e são reduzidas a dimensões micrométricas ou nanométricas. No campo de cavitação ultrassónica, as pressões alternam rápida e repetidamente entre o vácuo e até 1000bar. Um misturador rotativo com 4 pás de mistura teria de funcionar a umas impressionantes 300 000 RPM para atingir a mesma frequência de ciclos de pressão alternada. Os misturadores rotativos convencionais e os misturadores rotor-estator não geram uma quantidade significativa de cavitação devido à sua limitação de velocidade.

Antes e depois da sonicação: a curva verde mostra o tamanho das partículas antes da sonicação; a curva vermelha representa a distribuição do tamanho das partículas de sílica dispersa por ultrassons.

Mistura ultrassónica de pasta dentífrica

Os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento podem ser utilizados como processadores por lotes e como processadores contínuos em linha. Para materiais altamente viscosos e processamento de grandes volumes, é preferível utilizar um reator de célula de fluxo pressurizável, pois este permite operar em condições de sonicação intensificada (ou seja, a pressão intensifica a cavitação). Além disso, ao utilizar configurações de fluxo sofisticadas, como uma configuração de processo de passagem ou de processo discreto, toda a mistura de pasta dentífrica é obrigada a passar pela zona de cavitação ultrassónica na célula de fluxo. Isto garante que cada partícula recebe o mesmo tratamento, obtendo-se uma dispersão e uma mistura altamente uniformes.

Processamento ultrassónico de passagem

Em cada passo do processo, ou seja, quando uma nova mistura de ingredientes é adicionada à base líquida, a mistura pastosa passa de um tanque, através do reator ultrassónico, para um segundo tanque. Este processo de passagem garante um resultado de mistura altamente fiável e uniforme. Enquanto num processo convencional de mistura por lotes com elevado cisalhamento é necessário aplicar uma mistura excessiva para garantir que todas as partículas são dispersas, a configuração com célula de fluxo ultrassónica permite poupar tempo e energia, uma vez que o tempo de processamento é reduzido ao tratamento mínimo por partícula.
Na mistura convencional por lotes com elevado cisalhamento, algumas partículas são processadas em excesso, enquanto outras nunca chegam à zona de mistura ativa. A utilização de um reator de célula de fluxo ultrassónica garante que cada partícula recebe o mesmo tratamento de elevado cisalhamento. Graças ao processo de passagem, cada partícula é tratada com a mesma frequência e intensidade.

Dica de processamento: mistura ultrassónica sob pressão

A aplicação de pressão ao reator ultrassónico ou à célula de fluxo intensifica a cavitação acústica. A Hielscher Ultrasonics fornece vários tipos de células de fluxo e reatores, que podem ser facilmente pressurizados até 5 barg. Os reatores ultrassónicos personalizados podem suportar pressões ainda mais elevadas, até 300barg.

Efeitos de desarejamento ultrassónico

Os agitadores de pás e os misturadores convencionais de elevado cisalhamento introduzem grandes volumes de bolhas de gás na mistura, o que constitui uma grande desvantagem. O desarejamento da mistura final de pasta dentífrica requer um passo de processamento adicional, que consome tempo e energia. Durante a mistura ultrassónica, a retenção de bolhas de ar é geralmente muito baixa em comparação com os agitadores de tanque e os misturadores de elevado cisalhamento convencionais. A utilização de um reator de célula de fluxo ultrassónica evita a incorporação desnecessária de bolhas de gás indesejadas, uma vez que a mistura é alimentada a partir do tanque de armazenamento num fluxo constante, num sistema fechado. Numa configuração com célula de fluxo ultrassónica, a mistura pastosa é alimentada sob pressão contínua à zona de cavitação ultrassónica. A configuração ultrassónica de fluxo contínuo evita a retenção indesejada de gás durante o processo de mistura. Além disso, a sonicação é uma técnica bem estabelecida de desarejamento e desgaseificação e promove a coalescência das bolhas de ar, permitindo que subam à superfície e se volatilizem.
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As vantagens dos misturadores ultrassónicos de elevado desempenho

Os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento geram forças de cisalhamento intensas, que exercem o impacto necessário sobre partículas como sólidos, gotículas, cristais e fibras para as fragmentar até um tamanho pretendido, que pode situar-se na gama micrométrica ou nanométrica. Ao processarem facilmente materiais com elevada viscosidade e elevadas cargas de sólidos, os misturadores ultrassónicos em linha de elevado cisalhamento são ideais para processar produtos pastosos, como pastas dentífricas, dentífricos e géis. As forças de cisalhamento acústico proporcionam uma molhagem completa dos ingredientes em pó e misturam-nos uniformemente numa pasta homogénea.
Dependendo da dureza e da fragilidade das partículas, os parâmetros do processo ultrassónico podem ser ajustados com precisão para obter o resultado de mistura pretendido. Em comparação com métodos de mistura alternativos, como agitadores de pás de elevado cisalhamento, homogeneizadores de alta pressão, moinhos coloidais / de esferas, misturadores de veio, etc., os misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento oferecem grandes vantagens, como o processamento sem problemas de abrasivos e de elevadas cargas de sólidos, a operação fácil e segura, a reduzida manutenção e a robustez.

Por lotes e em linha

Os misturadores de elevado desempenho da Hielscher Ultrasonics podem ser utilizados para processamento por lotes e em linha. Dependendo do volume do seu processo e da capacidade de processamento por hora, o processamento em linha poderá ser recomendado. Enquanto o processamento por lotes exige mais tempo e mão de obra, um processo de mistura contínua em linha é mais eficiente, mais rápido e requer significativamente menos mão de obra.

Misturadores ultrassónicos para qualquer capacidade de produção

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores laboratoriais compactos, passando por sistemas de bancada e piloto, até processadores ultrassónicos inteiramente industriais com capacidade para processar cargas de camião por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o misturador ultrassónico de cisalhamento mais adequado à sua capacidade de processamento e aos seus objetivos.
O aumento de escala de um misturador ultrassónico mais pequeno para capacidades de processamento superiores é muito simples, uma vez que o processo de mistura ultrassónica pode ser aumentado de escala de forma completamente linear a partir dos parâmetros de processo estabelecidos. O aumento de escala pode ser realizado instalando uma unidade de mistura ultrassónica mais potente ou agrupando vários sonicadores em paralelo.

Amplitudes elevadas para uma elevada eficiência de mistura

Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.

Ensaios fáceis e sem risco

Os processos ultrassónicos podem ser aumentados de escala de forma completamente linear. Isto significa que qualquer resultado obtido utilizando um sonicador laboratorial ou de bancada pode ser aumentado de escala para obter exatamente o mesmo resultado, utilizando exatamente os mesmos parâmetros de processo. Isto torna a sonicação ideal para o desenvolvimento de produtos e a posterior implementação no fabrico comercial.

A mais elevada qualidade – Concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiares, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade dos seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele um equipamento de trabalho fiável na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de elevado desempenho da Hielscher.

Pode comprar misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento da Hielscher em qualquer tamanho e configurados exatamente de acordo com os requisitos do seu processo. Desde o tratamento de fluidos num pequeno copo de laboratório até à mistura em fluxo contínuo de suspensões e pastas à escala industrial, a Hielscher Ultrasonics oferece-lhe um misturador de elevado cisalhamento adequado! Contacte-nos – teremos todo o gosto em recomendar-lhe a configuração de mistura ultrassónica ideal!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: