Способ получения эмульсионного косметического средства
Владельцы патента RU 2578413:
Бобков Глеб Викторович (RU)
Саргин Борис Викторович (RU)
Геталов Андрей Александрович (RU)
Изобретение относится к области косметологии и представляет собой способ получения эмульсионного косметического средства, включающий поэтапное диспергирование малорастворимых компонентов, таких как растительного масла, эмульгатора и биологически активных веществ различного происхождения, твердых порошкообразных ингредиентов-сорбентов или абразивов, при этом компоненты подают внутрь проточной механической колебательной системы-канала прямоугольного сечения, где формируется квазиплоская стоячая волна, создающая мощное кавитационное воздействие для гомогенизации эмульсии, отличающийся тем, что перед подачей эмульсионного косметического средства в систему-канал прямоугольного сечения создают грубодисперсную эмульсионную среду с размером дисперсной фазы 8-15 мкм, путем механического перемешивания лопастной мешалкой со скоростью вращения 1000-3000 об/мин. Изобретение позволяет в 5-7 раз сократить время получения коллоидной стабильности, позволяет улучшить структуру косметической эмульсии, а именно, уменьшить ее дисперсность и увеличить уровень гомогенности. 7 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области косметологии и дерматологии и может быть использовано в биологии, фармакологии, косметической промышленности, ветеринарии и пищевой промышленности, в частности в косметологии - при разработке технологий получения косметических средств по уходу за кожей, ногтями и волосами.
Известно, что проникновение в глубокие слои кожи биологически активных веществ в том числе зависит от размеров и гомогенности масляной фазы косметического крема, которая включает в себя растительные и эфирные масла, ряд важных экстрактов и другие жирорастворимые ингредиенты. Как правило, в технологии получения крема стремятся разбить масляную фазу на капли как можно меньшего размера.
В этом случае, вместе с липосомами эмульсии "масло в воде" биологически активные компоненты могут проникать через слои эпидермиса растворенными в масляной фазе эмульсии, сорбированными на межфазной поверхности.
Известен способ получения косметического крема, включающего следующие стадии технологического процесса:
- взвешивание и плавление сырьевых компонентов;
- приготовление жировой и водной фазы;
- эмульгирование;
- охлаждение и парфюмирование;
- расфасовка в упаковочную тару.
Для приготовления водной фазы ингредиенты нагревают до 75-80 градусов (по Цельсию). Для приготовления жировой фазы ингредиенты нагревают до 80-85 градусов. Далее смешивают жировую и водную фазы. При определенных условиях (температура, рН среды, порядок ввода) добавляют в кремовую массу ДНК и консерванты(патент РФ №2032399, МПК А61K 7/00, А61K 7/48).
Недостатком данного способа является значительная энергоемкость технологии получения крема и снижение биологической активности его компонентов при приготовлении продукта вследствие того, что процесс получения эмульсии совершается при нагреве до 80-85°С, далее происходит гомогенизация двух фаз, что затрудняет ввод компонентов и добавок, критичных к термическому разложению (температуры не более 40-45°С) и одновременно необходимых при гомогенизации. Эти недостатки существенно ограничивают область применения данного способа, в частности, для приготовления эмульсий (кремов, лосьонов и т.д.) с содержанием натуральных витаминных добавок.
Известен способ получения косметического средства в виде эмульсии, включающий диспергирование в растворителе при комнатной температуре малорастворимых компонентов, эмульгатора и биологически активных веществ (любого происхождения),твердых порошкообразных ингредиентов (сорбентов или абразивов), при этом компоненты вводят одновременно или последовательно через индивидуальные дозаторы непосредственно в камеру озвучивания роторно-кавитационной установки, где реализуется процесс кавитационного эмульгирования при одновременном прохождении через камеру озвучивания эмульсионного комплекса "Мирра"(или любого другого) и водного раствора (Патент РФ №2240782, МПК 7 А61K 9/10, А61K 9/50, А61K 9/127, А61K 7/48, 2004 год).
Сущность предлагаемого изобретения сводится к использованию принципа кавитационной гомогенизации (эмульгирования) для получения высокоэффективных экологически чистых косметических и лечебно-косметических эмульсионных средств.
На сегодняшний день метод роторно-кавитационной обработки для получения эмульсионных косметических средств получил наибольшее распространение. Можно отметить следующие существенные недостатки данного способа:
- ограниченность режимов работы роторно-кавитационной установки для получения эмульсий, содержащих твердые ингредиенты (например скрабы) из-за малых размеров каналов в конструкции ротора и статора;
- широкая частотная полоса кавитационного воздействия, из-за сложной конструкции со множеством деталей, каждая из которых является излучателем колебаний, которые в итоге накладываются друг на друга и не всегда в фазе;
- на практике известно /3/, что после прохождения через гомогенизатор в эмульсии происходит процесс коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы, даже если первоначальный размер капель мал и составляет десятки нанометров, в итоге получается стабильная эмульсия, но с широким спектром распределения размеров дисперсной фазы по размерам. Роторно-кавитационные гомогенизаторы не могут обеспечить длительное стабильное существование дисперсной фазы размером менее ~1000 нм. Это объясняется недостаточной акустической мощностью, которая не превышает ~3 Вт/см2 и распределена в широком диапазоне частот ~ 10 кГц /4/.
В качестве прототипа выбран Способ получения эмульсионного косметического средства (патент РФ №2427362 от 08.09.2010 г.). Суть данного метода состоит в создании мощного кавитационного воздействия в системе-канале прямоугольного сечения за счет использования резонансных свойств системы-канала и формирования дополнительной акустической стоячей волны в обрабатываемой движущейся многофазной среде. Промышленная эксплуатация нескольких установок в компании ООО "Дерманика" позволила выявить несколько негативных факторов.
Один из них - это существенное время, требуемое для получения коллоидной стабильности косметической эмульсии. На первом этапе эксплуатации необходимое время ультразвукового (УЗ) озвучивания единицы объема косметической эмульсии составляло ~400-500 с. На Фиг. 1 представлена зависимость /1/ предельной весовой концентрации эмульсии керосина в воде от продолжительности эмульгирования для различных способов гомогенизации. Полученное в данной работе время эмульгирования составляет ~360 с - 480 с. Близкие результаты приведены для эмульсий других типов в работе [2]. Можно вычислить, что при полученном времени УЗ озвучивания общее время на получение стабильной косметической эмульсии составит:
где tобр - общее время приготовления стабильной косметической эмульсии объемом V;
tуз - необходимое время УЗ озвучивания единицы объема косметической эмульсии;
Vк - суммарный объем каналов прямоугольного сечения, где одновременно происходит УЗ обработка косметической эмульсии (емкость УЗ гомогенизатора).
Значение величины V на практике на 10-20% меньше величины емкости варочного котла, и для конкретных существующих условий производства составляет 800 литров. Емкость УЗ гомогенизаторов составляет 50-60 литров, фотография представлена на Фиг. 2. Подставляя имеющиеся данные в зависимость (1) получаем общее время для получения стабильной косметической эмульсии в объеме 800 литров, равное 6500 с, или почти 2 часа. Коллоидная стабильность определялась по стандартной методике /5/ с отбором проб через каждые 15 мин.
Такое эксплуатационное время приготовления конечного продукта не может быть признано удовлетворительным. Для роторно-кавитационных гомогенизаторов данное время составляет ~900 с (~15 мин) для объема 800 литров.
Целью изобретения является уменьшение времени для получения коллоидной стабильности косметической эмульсии.
Данная цель достигается тем, перед подачей эмульсионного косметического средства в систему-канал прямоугольного сечения создают грубодисперсную эмульсионную среду с размером дисперсной фазы 8-15 микрон, например, путем механического перемешивания лопастной мешалкой со скоростью вращения 1000-3000 об/мин. Как известно, режим развитой акустической кавитации, который создается внутри механической колебательной системы-канала не является механизмом активного массопереноса /1, 2/. Более того, каналы прямоугольного сечения имеют гораздо меньший эквивалентный гидравлический диаметр, чем круглые трубы.
В таблице 1 приведены расчеты эквивалентного гидравлического диаметра для типовых труб круглого сечения и профилей прямоугольного сечения, которые применяются при изготовлении резонансных каналов прототипа.
Если для труб круглого диаметра эквивалентный гидравлический диаметр совпадает с геометрическим диаметром D (отношение площадей 100%), то для труб прямоугольного профиля этот показатель существенно меньше. Так для прямоугольного профиля 100-20 мм, с площадью сечения 2000 мм2,что близко к сечению круглой трубы Dэкв диаметром 50 мм, эквивалентный диаметр Dэгд составляет всего 33 мм /6/.
Это свидетельствует о том, что используемые в прототипе каналы прямоугольного сечения с точки зрения законов гидродинамики являются звеньями, которые формируют ламинарный режим течения жидкой среды, препятствующий массопереносу между слоями. Учитывая, что косметическая эмульсия - это многофазная среда, такой режим будет только снижать усреднение термодинамических параметров по всему объему V жидкости и приводить к увеличению времени приготовления эмульсии, что и наблюдается на практике. В соединительных трубопроводах, типовое сечение которых указано в таблице 1, так же будет наблюдаться ламинарный режим течения.
Для подтверждения этого факта можно определить величину критерия Рейнольдса Re для существующих эксплуатационных параметров. Для получения оценки сверху необходимо взять наименее вязкую среду (вода) и насос с максимальной производительностью. Типовой роторный насос ОР-2 имеет производительность до 10000 литров/час, или 2,78 л/с. Гидравлическая схема соответствует схеме УЗ гомогенизатора, а именно параллельно подключенные к входному трубопроводу каналы прямоугольного сечения общим объемом 56 л (14 кассет, что то же система-канал, по 4 литра каждая, высота ~1 м, рисунок Фиг. 1, эквивалентный гидравлический диаметр Dэгд равен 50 мм). Полученные результаты показывают, что при заданных условиях скорость протекания в системе-канале составит ~0,05 м/с, время протекания через единичную кассету составит 21,6 с, полученный критерий Рейнольдса Re ~2300. Учитывая, что начальные условия были заданы для получения оценки сверху и принимая во внимание величину критического значения критерия Re, примерно равного 2200-2300, Фиг. 3 для труб прямоугольного сечения /7/, можно с большой степенью вероятности утверждать о наличии ламинарного режима движения многофазной косметической эмульсии как по соединительным трубопроводам, так и по каналам прямоугольного сечения, где производится кавитационная обработка.
Это является основной причиной увеличения времени обработки косметической эмульсии.
В работе /1/ отмечено, что наибольшее влияние на процесс образования эмульсий оказывают такие факторы, как активность области кавитации, турбулентность и скорость акустических потоков.
Поскольку внутри соединительных трубопроводов и внутри каналов прямоугольного сечения обеспечить турбулентное перемешивание слоев (тепло и массоперенос) жидкости затруднительно, то предлагается это делать перед подачей смешиваемой жидкой среды в каналы, где происходит кавитационная УЗ гомогенизация.
Для получения оптимальных режимов турбулентного перемешивания проведены экспериментальные лабораторные и натурные испытания.
Для проведения лабораторных работ использовалась установка, состоящая из мини-реактора с рубашкой нагрева и охлаждения 1, лопастной мешалки с регулировкой скорости вращения 2, мембранного насоса с регулируемым расходом жидкости 3, системы-канала прямоугольного сечения 4 в защитном кожухе, генератора УЗ частоты 5, вакуумного насоса 6, измерителей температуры, скорости прокачки, вакуумметра, индикатора скорости вращения лопастной мешалки. Схема установки представлена на рисунке Фиг. 4, фотография на Фиг. 5.
Методика лабораторного эксперимента заключалась в следующем.
В качестве смешиваемой косметической эмульсии взята типовая рецептура прямой эмульсии крема для рук, производимого компанией ООО "Дерманика".
Состав крема для рук представлен в таблице 2.
Смешивание жировой и водной фазы осуществляется в миниреакторе при температуре жировой и водной фазы ~77-80 градусов (по Цельсию). Объем приготовления V составлял 2,5 литра, объем системы-канала Vк составлял 0,4 литра. После этого на 5 минут включалась лопастная мешалка, при этом скорости вращения устанавливались от 0 об/мин(не включалась) до 3000 об/мин. Перед включением насоса проводился отбор проб грубодисперсной нестабильной эмульсии из миниреактора с целью определения структуры данной эмульсии, а именно характерного размера дисперсной фазы. При всех указанных скоростях вращения лопастной мешалки, необработанная в УЗ системе-канале грубодисперсная эмульсия была нестабильна.
Для определения структуры грубодисперсной эмульсии использовался биологический оптический микроскоп с увеличением 1000 раз и цифровой насадкой с разрешением 5,2 Мпикс. Для оценки размеров дисперсной фазы применялся объект-микрометр Фиг. 6 с ценой деления 10 мкм. Для обработки цифровых изображений использовалась прикладная программа Image Scope.
Типовая микрофотография грубодисперсной косметической эмульсии представлена на Фиг. 7.
Через 5 минут после перемешивания включался насос и осуществлялась прокачка грубодисперсной нестабильной эмульсии через систему-канал прямоугольного сечения, где происходила кавитационная обработка. Через равные интервалы времени происходил отбор проб для проверки на коллоидную стабильность по методике /5/.
Результаты экспериментов сведены в таблицу 3.
При отсутствии перемешивания жировая фаза, из-за разности в плотности, всплывала и получение косметической эмульсии невозможно ни при каких условиях. При наличии перемешивания полученная предварительно грубодисперсная нестабильная эмульсия, после циклического прохождения через систему-канал прямоугольного сечения приобретала необходимую коллоидную стабильность. Чем больше скорость вращения лопастной мешалки, тем меньший размер имела липидная фаза грубодисперсной эмульсии на входе в прямоугольную систему-канал и тем быстрее формировалась коллоидная стабильность.
Отмечено, что существенное влияние на формирование коллоидной стабильности оказывают другие факторы - это температура водной фазы, вид мешалки (турбина, фреза и т.д), резонансный режим работы системы-канала (режим параметрических колебаний, вынужденных нелинейных и т.д.).
Методика натурного эксперимента ставила целью получить показания времени наступления коллоидной стабильности при промышленных варках.
Для этого лопастная мешалка (производство компании INOXPA) была подключена через частотный преобразователь для возможности изменения скорости вращения. Полученные данные в натурном эксперименте полностью подтвердили существенное влияние подготовки начальной структуры грубодисперсной эмульсии на величину времени, при котором косметическая эмульсия приобретала коллоидную стабильность.
Итог проведенных натурных экспериментов заключается в следующем.
При приготовлении объема косметической эмульсии V равным 600-700 литров, при времени tобр=15 минут (900 секунд) и объеме каналов Vк равным 56 литров косметическая эмульсия всегда имела коллоидную стабильность.
Это дает оценку времени tуз ~70 с, что существенно меньше имевшегося ранее времени наступления коллоидной стабильности ~400 с.
При этом структура уже стабильной эмульсии, определяемая 2 параметрами (размер дисперсной фазы и уровень гомогенности), может с течением времени УЗ кавитационной гомогенизации улучшаться. Это является принципиальным отличием предлагаемых способов УЗ гомогенизации (включая прототип) от роторно-кавитационных гомогенизаторов (аналогов). Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что структура эмульсии в роторно-кавитационных гомогенизаторах, при увеличении времени обработки, практически не меняет свои характеристики.
Таким образом, предлагаемый способ получения эмульсионного косметического средства показал свою эффективность, сократив время получения коллоидной стабильности примерно в 5-6 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский Н.Н. Основы физики и техники ультразвука. М., Высшая школа, 1987.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.
3. Emulsions and emulsion technology, ed. K.J. Lissant, pt 1-2, New York, 1974.
4. Патент №2232629 РФ. Способ интенсификации химических реакций.
5. ГОСТ 29188.3. Изделия косметические. Методы определения стабильности эмульсии.
6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Машиностроение, 1992.
7. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Наука, 1974.
Способ получения эмульсионного косметического средства, включающий поэтапное диспергирование малорастворимых компонентов, таких как растительного масла, эмульгатора и биологически активных веществ различного происхождения, твердых порошкообразных ингредиентов-сорбентов или абразивов, при этом компоненты подают внутрь проточной механической колебательной системы-канала прямоугольного сечения, где формируется квазиплоская стоячая волна, создающая мощное кавитационное воздействие для гомогенизации эмульсии, отличающийся тем, что перед подачей эмульсионного косметического средства в систему-канал прямоугольного сечения создают грубодисперсную эмульсионную среду с размером дисперсной фазы 8-15 мкм, путем механического перемешивания лопастной мешалкой со скоростью вращения 1000-3000 об/мин.
