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, 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°С. Для приготовления жировой фазы ингредиенты нагревают до 80-85°С. 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 А61К 7/00, А61К 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 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 7 А61К 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.
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 7 А61К 9/10, А61К 9/50, А61К 9/127, А61К 7/48, 2004).
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 относятся 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 три 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), полученной с помощью оптического микроскопа 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) представлены на Фиг.3. Как видно из полученных результатов, используемые компанией Мирра роторно-кавитационные гомогенизаторы не могут обеспечить длительного стабильного существования дисперсной фазы размером ~500-600 нм, которая для человеческой кожи считается близкой к оптимальной, 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 двух раз по размеру основной моды) и определяется применяемыми типами роторных гомогенизаторов.
Кроме этого, 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, а также уровнем гомогенности и характеристикой добротности колебательной системы-канала. Найдены эффективные методы приведения перекисного числа (характеризует количество свободных радикалов) к нормативным требованиям. Часть исследований докладывалась на XIV Международной Научно-Практической Коференции "Косметические средства и сырье: безопасность и эффективность" в октябре 2009 г., 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 [2-4] 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), улучшения гомогенности (однородности по размерам).
Данная цель достигается тем, что режим квазиплоской резонансной волны и акустической кавитации формируется внутри проточной механической колебательной системы-канала прямоугольного сечения с большой стороной a и малой стороной b соответственно, генерирование звуковых колебаний осуществляется синфазно на обеих противоположных сторонах a с амплитудой, превышающей порог акустической кавитации для движущейся многофазной среды, состоящей из смешиваемых ингредиентов, причем амплитуда колебаний подбирается оптимальной для различных этапов приготовления эмульсии, а частота f звуковых колебаний подбирается равной резонансной частоте всего канала с элементами присоединенной массы, которую определяют любым известным способом, при этом меньшее расстояние b между стенками канала выбирается кратным четверти длины волны, возбуждаемой в данной многофазной среде:
b=(k/4)*(C/f), k=1,2,3,…,
где f - частота генерируемых колебаний, Гц;
С - скорость звука в многофазной среде, м/с;
b - расстояние между стенками канала, м.
В качестве примера приведем характеристики и порядок настройки проточных каналов, используемых на промышленной установке Фиг.4.
Определение собственных частот сложных профильных конструкций с присоединенной массой является нетривиальной задачей, тем более, что речь идет о колебаниях ультразвуковой частоты в диапазоне ~25-50 кГц. В этой связи после теоретического расчета, выполненного, например, по методике /8/, как правило, требуется несколько уточняющих шагов по более точной настройке резонансных частот и получения требуемой характеристики добротности.
Авторы используют собственную методику, в основе которой лежит большой накопленный материал по инструментальному измерению спектра колебаний прямоугольных каналов. На Фиг.5 представлен типовой спектр колебаний канала в виде кассеты, которая используется в промышленной установке. Для измерений используется измерительный тракт, прошедший поверку в РОСТЕСТЕ, состоящий из пъезоакселерометра 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. Хорошо видно, что данная конструкция имеет основную резонансную частоту ~ 24,5 кГц (отмечено маркером). Второй заметный резонанс на частоте ~ 54 кГц совпадает с паспортными данными пъезоакселерометра типа 4344 - это его собственная резонансная частота. Для возбуждения колебаний именно на данной частоте используется специально разработанный генератор ультразвуковой частоты с автоподстройкой частоты. Следующим этапом настройки является выбор частот пъезоизлучателей и геометрии их крепления на канал-кассету. Соответственно частота пъезоизлучателей подбирается максимально близкой к резонансной частоте. В данном случае она составляла 24,6 кГц при подводимой мощности 100 Вт на один излучатель, что обеспечивало устойчивый режим кавитации при протекании многофазной среды - основы косметической эмульсии на первом этапе приготовления. В качестве многофазной среды использовалась типовая рецептура одного из кремов компании COGNIS (Optimal Face Cream) состоящая:
ФАЗА 1
Emulgade SE
4,0%
Cutina CBS
1,0%
Lanette O
1,0%
Baysilon M350
0,5%
Cetiol PGL
7,0%
Myritol 312
3,0%
Cetiol OE
4,0%
Copherol 1250
0,5%
ФАЗА 2
D-Panthenol
1,0%
Glycerin 86%
5,0%
Aqua
71,5%
ФАЗА 3
Carbopol 980
0,2%
Cetiol PGL
1,0%
ФАЗА 4
КОН 20%
0,3%
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 b для канала при данной резонансной частоте. Длина волны составляет ~6,1-6,2 сантиметра, соответственно для суперпозиции волн внутри канала при синфазной генерации колебаний на сторонах а малая сторона прямоугольного профиля должна быть ~1,55 сантиметра (четверть волны) либо ~3,1 сантиметра (полуволновый резонатор). В данной конкретной конструкции используется второй вариант (полуволновый).
Опыты показали, что на практике использование резонаторов с малой стороной резонатора, превышающей длину волны, приводит к резкому ухудшению энергетических характеристик. Поэтому на практике число k а, по-видимому, не будет превышать число 4 (длина волны).
При приготовлении эмульсии были выделены три этапа:
- нагрев и приготовление базы (основы);
- этап охлаждения базы;
- ввод активных добавок и отдушек при температуре 40-45°С и гомогенизация при постоянстве данной температуры.
На этапах 1 и 3 соответственно задавались различные амплитуды колебаний, на этапе 2 (охлаждение) режим кавитации отключался, при этом на этапах 1 и 3 порог кавитации был превышен, но интенсивность на этапе 3 была примерно в 4 раза меньше, чем на этапе 1. Данные режимы контролируются с помощью термоизмерений на входе и на выходе канала и по индикатору подводимой к пъезоизлучателям мощности.
На Фиг.6 представлена фотография эмульсии с цифровой обработкой фильтром "умная резкость", полученная при применении данного способа получения эмульсии в одинаковом масштабе с фотографиями Фиг.1 и 2. На Фиг.7 представлены дифференциальное распределение по размерам дисперсной фазы для прототипа (крем МИРРА) в более мелком масштабе, чем на Фиг.3, одного из продуктов мирового лидера - компании L Oreal и распределение для крема, полученного по предлагаемому способу. Все продукты относятся к одному классу - дневные увлажняющие кремы для лица (прямые эмульсии).
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.: Изд-во Машиностроение, 2008.
2. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн.: Мощные ультразвуковые поля. / Под ред. Л.Д. Розенберга, 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.