СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННОГО КОСМЕТИЧЕСКОГО СРЕДСТВА
METHOD OF OBTAINING EMULSION COSMETIC PREPARATION

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, включающий 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, pH среды, порядок ввода) добавляют в кремовую массу ДНК и консерванты (патент РФ №2032399, МПК A61K 7/00, A61K 7/48).
Недостатками данного способа являются 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°C, далее происходит гомогенизация двух фаз, что затрудняет ввод компонентов и добавок, критичных к термическому разложению (температуры не более 40-45°C) 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.
7
Известен способ получения косметического средства в виде эмульсии, включающий приготовление основы путем диспергирования растительного масла, эмульгатора и глицерина в дисперсионной среде с последующим введением в полученную эмульсию в процессе перемешивания биологически активных веществ растительного и животного происхождения. В качестве эмульгатора используют гель полиэтиленоксида, а диспергирование проводят при комнатной температуре (патент РФ №2126247, МПК  A61K 9/10, 7/48, опубл. 2001).
Недостатком данного способа-аналога является то, что для интенсификации процессов растворения и диспергирования, а также для получения тонких эмульсий и суспензий емкости дополнительно оборудуются высокооборотными мешалками. Также недостатком известного способа является невозможность проведения процесса гомогенизации (холодного эмульгирования) при одновременном введении в крем биологически активных веществ с целью получения эмульсии с субмикронным размером частиц.
7
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является 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  A61K 9/10, A61K 9/50, A61K 9/127, A61K 7/48, 2004 г.).
Сущность предлагаемого изобретения сводится к использованию принципа кавитационной гомогенизации (эмульгирования) для получения высокоэффективных экологически чистых косметических и лечебно-косметических эмульсионных средств. Не вызывает сомнения факт, что применение метода роторно-кавитационной обработки для получения эмульсионных косметических средств имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами эмульгирования. Однако процесс, а точнее режим, роторно-кавитационной гомогенизации в камере озвучивания роторных аппаратов требует дополнительной детализации. Известно [1], что в камере озвучивания и в каналах статора роторной установки могут на практике быть реализованы разные режимы кавитации звуковых волн. Такие формулировки, как "роторно-кавитационная установка с мощным гидроакустическим воздействием" и "смесь … которую производят в роторно-кавитационной установке по способу кавитационного эмульгирования", нуждаются в конкретизации. Вопрос ставится только об оптимальном выборе режимов работы роторно-кавитационных установок, так как они зависят от многих факторов. Например [/1/, пункт 2.2.2], технически устройство реализует режим кавитации практически при всех значениях перепада давления, однако при этом может возникнуть как режим гидродинамической кавитации [/1/, пункт 2.1.4], так и режим акустической кавитации. Причем к особенностям резонансных явлений в роторных аппаратах относится наличие множества резонансов [/1/, пункт 1.1] и их сложная взаимосвязь с конструктивными параметрами установки, режимами работы, характеристиками сред. Каждый конструктивный элемент является генератором своего спектра частот, которые в итоге накладываются (суперпозиция) друг на друга. В Разделе 4.4 автор [1] доказал, что процесс растворения серы в смеси масел оптимален при режиме работы роторного аппарата, когда в нем возбуждается именно акустическая импульсная кавитация. Предложен целый ряд конструктивных решений роторно-статорной пары и патрубков ввода для настройки под резонансную суперпозицию частот для определенного технологического процесса.
Один из авторов способа-прототипа в интервью [5] говорит о том, что частота воздействия при роторно-кавитационной гомогенизации в 3 раза превышает частоту тока в электрической сети, т.е. имеет порядок 150-180 Гц. По результатам работы [/1/, пункт 2.2.4], это, возможно, один из резонансных режимов, причем есть резонансы на более высоких частотах с большей спектральной плотностью и лучшей добротностью, в частности отмечаются резонансные частоты ~540-580 Гц.
Таким образом, можно отметить следующие существенные недостатки прототипа:
- сложный выбор оптимального режима работы роторно-кавитационной установки для получения требуемой дисперсности и гомогенности конечной эмульсии;
- ограничение по верхней возможной резонансной частоте, которая на практике не превысит ~2000 Гц, 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 /6/, 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. На Фиг.1 представлена фотография после обработки цифровым фильтром "умная резкость" крема производства компании ЗАО Мирра-М (Крем питательный с целебными травами), полученная оптическим микроскопом с увеличением 1000 раз и цифровой насадкой с разрешением 5,2 Мпикс. Для оценки размеров дисперсной фазы применялся объект-микрометр (Фиг.2) с ценой деления 10 мкм. Для обработки цифровых изображений использовалась прикладная программа Image Scope. Дифференциальное распределение по размерам дисперсной фазы (результаты обработки) представлено на Фиг.3. Как видно из полученных результатов, используемые компанией Мирра роторно-кавитационные гомогенизаторы не могут обеспечить длительное стабильное существование дисперсной фазы размером ~500-600 нм, который для человеческой кожи считается близким к оптимальному, хотя непосредственно после процесса гомогенизации доля этой фазы может быть выше.
Проведенные в компании "DERMANIKA" исследования более 40 различных кремов (прямые и обратные эмульсии) ведущих Российских и зарубежных производителей показали, что распределение по размерам дисперсной фазы у всех компаний близко к друг к другу (отличие не более 2-х раз по размеру основной моды) и определяется применяемыми типами роторных гомогенизаторов.
Кроме того, проведенные исследования позволили определить оптимальные энергетические и частотные характеристики акустических колебаний в обрабатываемой эмульсии для получения существенно лучших показателей по размерам дисперсной фазы и стабильности эмульсии, получить корреляционные зависимости между размерами дисперсной фазы и частотой и уровнем гомогенности и характеристикой добротности колебательной системы-канала. Найдены эффективные методы приведения перекисного числа (характеризует количество свободных радикалов) к нормативным требованиям. Часть исследований докладывалось на XIV Международной конференции Научно-Практической Конференции "Косметические средства и сырье: безопасность и эффективность" в октябре 2009 года, где отмечены вторым местом и дипломом, имеются публикации в специализированных журналах /7/. Реализованы резонансные режимы близкой к плоской (квазиплоская) стоячей акустической волны в протекающей эмульсии в канале прямоугольного сечения (длина канала намного больше расстояния между боковыми стенками). В этом случае, в соответствии с критериями (порогом) кавитации [2, 3, 4] и работой в резонансном режиме с максимальной эффективностью обеспечиваются лучшие показатели по интенсификации совмещенных физико-химических, гидромеханических, тепло- и массообменных процессов на обрабатываемую среду и получаемый на выходе минимальный размер и гомогенность жировой (масляной) фазы.
Данная технология реализована в промышленном масштабе на действующем косметическом предприятии "ЗАО Лаборатория ЭМАНСИ". Фотография промышленной установки представлена на Фиг.4. Первая продукция, выпускаемая по данной технологии - крем для рук Anti Smell Smoke (для курящих, против действия никотина и дыма на кожу рук), прошла весь цикл сертификационных испытаний (санитарно-эпидемиологическое заключение №77.01.12.915.П.006156.02.10 от 03.02.2010 и Декларация о соответствии, которые продублированы независимыми испытаниями в лаборатории "Спектрум" (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.21ПШ50) с соответствующим протоколом №19 от 22.12.2009. Целью изобретения является уменьшение среднего размера дисперсной фазы при получении любого вида эмульсии (прямая и обратная), улучшение гомогенности (однородности по размерам).
Данная цель достигается тем, что режим квазиплоской резонансной волны и акустической кавитации формируется за счет двойного резонансного эффекта внутри проточной механической колебательной системы-канала прямоугольного сечения конечной длины, на противоположных сторонах которого синфазно осуществляется генерирование звуковых колебаний с образованием стоячей волны на частоте основной гармоники для данной стенки канала, которые, в свою очередь, формируют в зазоре между стенками канала квазиплоскую стоячую волну в движущейся многофазной среде, состоящей из смешиваемых ингредиентов, при этом ширина зазора канала h выбирается кратной четверти длины волны, возбуждаемой в данной многофазной среде стенками канала:
h=(k/4)×(C/f), k=1, 2, 3, …
где f - частота основной гармоники стоячей волны стенки канала, Гц;
C - скорость звука в многофазной среде, м/с;
h - расстояние между стенками канала, м;
причем амплитуда колебаний стенки канала подбирается оптимальной для различных этапов приготовления эмульсии и превышает порог акустической кавитации для данной обрабатываемой движущейся многофазной среды.
Известно /8, 9/, что на любой упругой пластине конечных размеров при определенных условиях возникают стоячие волны, то есть такие колебания, при которых все точки колеблются с одной частотой и одной фазой. Типы возможных стоячих волн пластинки зависят от ее формы. Кроме того, формы стоячих волн зависят от граничных условий: края пластинки могут быть закреплены, могут быть свободны. Частоты этих собственных колебаний (т.е. стоячих волн) зависят не только от размеров, формы пластины, граничных условий, но также от скорости распространения волн по пластине и ряда других характеристик. Для прямоугольной пластины с закрепленными краями решение волнового уравнения по набору частот собственных колебаний в декартовой системе координат имеет вид /9/:
,
где c - скорость распространения волн по пластинке;
x
y
k, k - волновые числа, значения которых определяются граничными условиями;
x
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Ox;
y
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Oy;
x
y
j, j - целое число, равное числу пучностей волны вдоль соответствующих сторон пластинки.
x
y
Для создания квазиплоской волны в зазоре между стенками канала необходимо выполнение условия первой основной гармоники, когда j, j равны 1. На Фиг.4 показан один из этапов лабораторных проверок для определения собственных частот канала, который в дальнейшем поступает на укомплектование промышленной установки Фиг.5. Для измерений используется измерительный тракт, прошедший поверку в РОСТЕСТЕ, состоящий из пьезоакселерометра типа 4344 и усилителя 2635 фирмы Bruel&Kjaer, цифрового осциллографа Velleman с функцией быстрого преобразования Фурье с регистрацией сигналов на персональный компьютер. Используется линейная шкала с верхним разрешением 60 кГц. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используется доработанный генератор типа УЗГ 2-22 с автоподстройкой резонансной частоты.
На Фиг.6 представлен типовой спектр колебаний канала прямоугольной формы с размерами 0,48 м и 0,1 м, ширина зазора 0,024 м. Расчетное значение основной гармоники по приведенной выше формуле составляет 29,7 кГц (при скорости продольных волн в нержавеющей стали ~5800 м/с), экспериментально зафиксированное значение 31,27 кГц. Проверка собственной частоты основной гармоники проводится обязательно, так как на практике каналы содержат приваренные технологические штуцеры для промывки и теоретический расчет частот каналов затруднен /8, 9/.
Кроме того, дополнительная проверка осуществляется по регистрации фигур Хладни на поверхности канала Фиг.7. Полученная в экспериментах добротность канала составляла 4-6, что существенно улучшало энергетику процесса эмульгирования и устраняло действие других гармоник, которые наблюдались ранее.
Скорость звука в многофазных средах, таких как косметические эмульсии, не сильно отличается от одноименной величины для воды (~1500 м/с), что позволяет, с достаточной для практики точностью, рассчитать оптимальный зазор h для канала при данной резонансной частоте. Длина волны составляет ~4,8 сантиметра, соответственно для суперпозиции волн внутри канала при при полуволновом резонаторе ширина должна быть ~2,4 см.
Состав крема Anti Smell Smoke представлен в Таблице.
Наименование
% содерж.
Общее количество, кгФАЗА (температура)
DC 9045
0,70
активная добавка 50
DC 345
3,00
активная добавка 50
Ланетте О
2,20
жировая
Трилон Б
0,05
водная
Мочевина
3,00
водная
Глицерин
3,00
водная
Метилпарабен
0,30
водная
Пропилпарабен
0,10
жировая
Катон CG
0,05
активная добавка 50
Соевое масло
Отдушка
0,30
50 градусов
Цетиол CC
2,00
жировая
Сквалан
0,50
жировая
Эмульгейд SE-PF
1,20
жировая
Эденор
0,70
жировая
DC 200/100
1,00
активная добавка 50
Grindox 109
0,05
активная добавка 50
Biolin/P
1,00
активная добавка 50
TegoSorb50
1,00
жировая
Горофит мяты
0,01
жировая
Crodamol ML
0,70
жировая
Вода
79,14
ИТОГО
100,00
Жировая
8,41
Водная
6,35
Активные + отдушка
6,10
Вода
79,14
ИТОГО
100,00
При приготовлении эмульсии было выделено 3 этапа:
- нагрев жировой фазы, воды с водорастворимыми компонентами и их смешение (получение базы);
- начало гомогенизации и постепенное охлаждение базы;
- ввод активных добавок и отдушек при температуре ~45 градусов (по Цельсию) и гомогенизация при постоянстве данной температуры.
На этапах 2 и 3 соответственно задавались различные амплитуды колебаний, контроль режима кавитации осуществляется с помощью термоизмерений на входе и на выходе проточного канала и по индикатору подводимой к пьезоизлучателям мощности.
На Фиг.8 представлена сравнительная фотография крема Anti Smell Smoke и крема Бархатные Ручки производства ОАО "Калина" в одном масштабе. При размерах дисперсной фазы в диапазоне 400-700 нм уровень гомогенности достигает 50-60% (Фиг.9), что говорит о достижении поставленной цели.
Данная текстура косметической эмульсии для потребителей дает ряд новых свойств:
- существенно улучшаются тактильные и органолептические характеристики (легкость нанесения и растирания, быстрота впитываемости, отсутствие жирной пленки после нанесения). Были проведены маркетинговые исследования (панели), где в результате анонимного анкетирования 87% женщин и девушек (65 респондентов) выбрали как "лучший" по органолептическим характеристикам крем, приготовленный по предлагаемому способу по отношению к крему аналогичного состава, но приготовленного по классической технологии;
- для получения стабильной эмульсии достаточно использовать всего 30-40% эмульгатора от количества, необходимого при приготовлении по классической технологии /7/. Известно, что снижение количества эмульгатора уменьшает риски разрушения липидного барьера кожи, т.е. способствует сохранению здоровой кожи;
- полученная эмульсия обладает ярко выраженным экспресс-действием. При постоянном использовании уже через 5-7 дней пропадает сухость кожи, даже при мытье посуды известными чистящими средствами, что отмечено респондентами. Эксперименты показывают, что предлагаемый способ получения эмульсионного косметического средства позволяет:
- получить меньший размер дисперсной масляной(жировой) фазы;
- получить высокий уровень гомогенности эмульсии.
Литература
1. Червяков В.М., Однолько В.Г. Использование гидродинамических и кавитационных явлений в роторных аппаратах. - М.: Машиностроение, 2008.
2. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн. Мощные ультразвуковые поля, под ред. Розенберга Л.Д., 1968.
3. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах - М.: Физматгиз, 1960.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.
5. Газета "Мирра Люкс", Раздел "Беседа специалиста. Интервью с главным технологом производства", Июнь, 1999.
6. Emulsions and emulsion technology, ed. K.J.Lissant, pt 1-2, New York, 1974.
7. В.И.Деменко, А.А.Геталов, Т.В.Пучкова, Е.А.Хотеенкова. Эффективный метод снижения содержания эмульгатора при производстве косметической эмульсии, журнал "Сырье и упаковка" №10 (101), стр.12.
8. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах, под ред. Челомея В.Н., М.: Машиностроение, 1979.
9. Слободянюк А.И. Учебник по физике, часть 2, параграф 19, опубл. GENA, 2008.