Nowoczesne urządzenia procesowe

A przecież wydawałoby się, że trzeba iść do przodu, by nie zostać w tyle. Niestety, wielu producentów urządzeń procesowych wychwalających swoją technologię na łamach różnych czasopism branżowych, nadal tkwi w przeszłości i nie jest w stanie sprostać współczesnym wymogom technologicznym. Możliwe, iż wynika to z niezbyt bacznego przyglądania się rynkowi kosmetycznemu, na którym obserwujemy nieustającą zmianę trendów oraz wprowadzanie coraz nowszych formulacji. Dlatego firmy powinny posiadać takie urządzenia, dzięki którym będą mogły niezwłocznie zareagować na nowe wyzwania technologiczne. Czym w takim razie powinny wyróżniać się nowoczesne urządzenia do produkcji płynnych oraz półstałych wyrobów kosmetycznych i farmaceutycznych, aby mogły zapewnić elastyczność i gwarancję powtarzalności produkcji oraz uzyskanie produktów najwyższej jakości?

Przede wszystkim urządzenia tego typu powinny być wyposażone w systemy mieszające oraz homogenizujące, gwarantujące nieograniczone możliwości procesowe. Urządzenie powinno posiadać system mieszający – dedykowany szczególnie dla produktów o bardzo wysokich lepkościach. Zastosowanie systemu mieszającego składającego się z mieszadła kotwicowego, wyposażonego w blachy kierunkowe o odpowiednich przesunięciach fazowych, zgarniacze oraz statyczne łamacze fal, pozwala na uzyskanie oczekiwanego, zawsze powtarzalnego efektu uśrednienia bez względu na lepkość i gęstość wytwarzanego produktu. Taka konstrukcja pozwala na skuteczne mieszanie produktu zarówno w pionie, jak i w poziomie oraz jego wydajną cyrkulację wewnątrz przestrzeni roboczej zbiornika. Ograniczenie do minimum elementów zastosowanych do skonstruowania mieszadła znacząco wpływa na jakość produktu, ponieważ nie powoduje zagrożenia skażeniem mikrobiologicznym. Oferowane przez niektórych producentów rozwiązania polegające na zastosowaniu układu mieszadeł przeciwbieżnych, nie dają całkowitej gwarancji ochrony produktu przed zanieczyszczeniami pochodzącymi z uszczelnień mechanicznych, łożysk czy panewek. W warunkach pracy przy zmiennym ciśnieniu, zanieczyszczenia te zostaną wessane do strefy mieszania, a tym samym do produktu powodując jego kontaminację. Jak również, niektórzy proponują podparcie końca mieszadła na dennicy zakończone osadzakiem w panewkach – i to dla farmacji czy biotechnologii! Takie rozwiązania nie mają prawa bytu w wyżej wymienionych branżach.

        Gwarancję stabilności i powtarzalności produktu końcowego zapewnia odpowiednio zaprojektowany homogenizator zamontowany bezpośrednio w centralnym punkcie dna zbiornika urządzenia procesowego. Jego konstrukcja powinna być tak zaprojektowana, by w komorze znajdował się wyłącznie homogenizator, bez dodatkowych elementów wspomagających jego pracę. Idealnym rozwiązaniem jest homogenizator czterogrzebieniowy mający zdolność wytwarzania lekkiego podciśnienia w samej komorze homogenizatora, o napędzie przekazywanym bezpośrednio z wału silnika elektrycznego, bez niebezpiecznych dla czytelnego procesu „pośredników”, czyli sprzęgieł czy pasów klinowych. Aby zapewnić dokładne uśrednienie produktów o wysokich lepkościach i gęstościach na różnych etapach procesu produkcyjnego, zarówno przy wysokich jak i niskich temperaturach, mieszalnik powinien być wyposażony w zewnętrzny obieg by-pass – nierzadko również z podgrzewanym płaszczem. Tylko taki układ umożliwi uzyskanie jednorodnego produktu.

Połączenie tradycyjnego urządzenia procesowego z homogenizatorem czterogrzebieniowym, który osiąga wysokie prędkości liniowe, generując tym samym wysokie siły ścinania, z homogenizacją za pomocą sonotrody ultradźwiękowej, znacznie przyśpiesza proces otrzymywania nanoemulsji.

Technologie bez limitu

Nowoczesny mieszalnik procesowy musi być niezawodnym narzędziem w rękach technologa, ułatwiającym i usprawniającym proces produkcyjny. Powinien posiadać rozwiązania dające bardzo duży zakres możliwości technologicznych m.in.:

• możliwość zastosowania w urządzeniu procesowym specjalnie zaprojektowanego zaworu dennego, który dzięki odcięciu całej komory homogenizatora od przestrzeni roboczej mieszalnika, pozwala na znaczne rozszerzenie realizowanych procesów technologicznych np.: przeprowadzenie procesu, gdy nie jest wskazane używanie homogenizatora (surowce polimerowe) lub wręcz pozwala na wykorzystanie urządzenia procesowego do zadania przygotowania np. fazy wodnej lub pod pewnymi warunkami fazy tłuszczowej;

• wprowadzanie surowców bądź przygotowanych faz bezpośrednio nad homogenizator w systemie in-line lub duo-in-line;

• wprowadzanie surowców proszkowych w zewnętrzny obieg recyrkulacyjny by-pass pod lustro cieczy;

• możliwość opróżniania mieszalnika bez udziału homogenizatora;

• wykorzystanie przyłącza na obiegu by-pass do pomiaru parametrów procesowych (np. pH, przewodność) oraz poboru próbek;

• autonomiczny system mycia CIP

Od laboratorium do skali produkcyjnej

Należy również pamiętać o ekonomicznych jak i ekologicznych aspektach produkcji – nie mniej ważnych od technologii. Z pomocą przychodzi scale-up, czyli wytyczne pozwalające konstruować urządzenia procesowe umożliwiające przeniesienie opracowanej formulacji ze skali laboratoryjnej na wyższą. Jest to jeden z największych problemów, z jakim zmagają się technolodzy. Podczas przenoszenia produkcji ze skali mniejszej na większą pojawia się szereg zjawisk, które bardzo utrudniają przejście od uzyskania oczekiwanego wyrobu w laboratorium technologicznym do powtórzenia tego efektu w skali przemysłowej. Rozwiązaniem, które znacznie przyspiesza i optymalizuje ten proces, jest wykorzystanie urządzeń projektowanych zgodnie z zasadami scale-up według norm FDA, w których można odtwarzać warunki i parametry produkcyjne już na etapie laboratorium w R&D. Parametry zoptymalizowane w skali laboratoryjnej oraz półtechnicznej mogą być odtworzone od razu w skali większej, bez tracenia znacznych ilości surowców i energii na nieudane szarże.

            Intensywność mieszania oraz homogenizacji zależna jest od prędkości liniowej mieszadła oraz homogenizatora. Parametr ten jest podstawą do obliczenia sił ścinania występujących podczas procesu mieszania i łączenia faz. Aby uzyskać takie same siły ścinania, a co za tym idzie taki sam stopnień dyspersji w większym urządzeniu, należy zachować stałość liczby Webera, która jest punktem wyjściowym do skalowania procesu homogenizacji. Dzięki zachowaniu tych wytycznych otrzymany produkt jest tak samo stabilny i posiada takie same parametry fi zykochemiczne, jak ten uzyskany w mieszalniku laboratoryjnym.

Siły ścinania występujące podczas homogenizacji wyrażane są wzorem:

gdzie:

η – lepkość dynamiczna [Pa*s],

U – prędkość liniowa homogenizatora [m/s],

L – szerokość szczeliny rotor-stator [m].

Opracowywanie receptur na profesjonalnych urządzeniach pozwala na szybkie oraz skuteczne przeniesienie procesu do większej skali, dlatego producenci coraz częściej odchodzą od przypadkowych mikserów, często gastronomicznych lub gastronomiczno-podobnych i idą w stronę optymalizacji już na etapie laboratorium.

Urządzenia skalowane oprócz usprawnienia produkcji przynoszą wytwórcy wiele zalet ekonomicznych oraz przyczyniają się do ochrony środowiska. Jest to szczególnie ważne, jeżeli producent przy wytwarzaniu produktu kosmetycznego czy farmaceutycznego zwraca uwagę na aspekty ekologii, np. stosuje surowce pochodzące z upraw ekologicznych czy ekologiczne opakowania. Wykorzystanie urządzeń skalowanych znacznie ogranicza ilość i wielkość nieudanych szarż, redukując ilość odpadu do utylizacji, oraz wiąże się ze zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej i mediów energetycznych, a co za tym idzie – realnymi oszczędnościami.

Przede wszystkim jakość i powtarzalność

Celem każdego współczesnego producenta kosmetyków jest uzyskanie produktów najwyższej jakości – wyrób musi być jednorodny, powtarzalny i przede wszystkim stabilny. By to osiągnąć, konieczne jest zastosowanie nowoczesnej technologii, opartej na zoptymalizowanej technice mieszania i homogenizacji. Ważne jest również, aby cały proces wytwarzania produktu był odpowiednio kontrolowany oraz archiwizowany zgodnie z wymogami GMP. Z tego względu, przed kupnem urządzenia procesowego, producent powinien zachować dystans do oferowanych rozwiązań konstrukcyjnych, biorąc pod uwagę fakt, iż wiele z nich jest nieaktualnych i pozostających w tyle za współczesnymi trendami oraz wymogami np. dyrektywy kosmetycznej obowiązującej już w Polsce od wielu lat.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 3/2021