Proces na zimno czy na gorąco w produkcji kremów?

Hasło „kosmetyk tworzony na zimno” brzmi technologicznie, ale samo w sobie nie mówi nic o jakości receptury.

Emulsja powstaje wtedy, gdy faza wodna i olejowa zostaną rozproszone w stabilnym układzie. Woda nie łączy się z olejem samoczynnie. Potrzebny jest emulgator, odpowiednia kolejność dozowania, energia ścinania, kontrola lepkości i czas stabilizacji. Temperatura wpływa na każdy z tych elementów.

Dlatego pytanie, czy lepsza jest produkcja kremów na zimno czy na gorąco, jest źle postawione. Prawidłowe pytanie brzmi: która metoda odpowiada konkretnej recepturze, punktowi topnienia surowców i odporności termicznej składników aktywnych?

Emulsja nie powstaje od samego mieszania

Krem kosmetyczny jest najczęściej emulsją. W praktyce oznacza to układ dwóch faz, z których jedna zostaje rozproszona w drugiej w postaci drobnych kropli. Najczęściej spotyka się emulsje typu olej w wodzie, czyli O/W. Faza olejowa jest wtedy rozproszona w fazie wodnej. Możliwe są również emulsje woda w oleju, czyli W/O, o innych właściwościach użytkowych i technologicznych.

W recepturze znajdują się zwykle:

• faza wodna, obejmująca wodę oczyszczoną, humektanty, substancje hydrofilowe i część konserwantów;
• faza olejowa, w której występują oleje, estry, masła, woski i składniki lipofilowe;
• emulgator albo układ emulgatorów;
• składniki regulujące lepkość i strukturę;
• substancje aktywne;
• konserwanty, regulatory pH, substancje zapachowe i dodatki pomocnicze.

Każda z tych grup ma własne wymagania. Woda oczyszczona nie wymaga topienia. Wosk już tak. Alkohol cetylowy nie rozpuści się prawidłowo w temperaturze pokojowej tylko dlatego, że został intensywnie wymieszany. Emulgator woskowy również może wymagać podgrzania, aby osiągnąć jednorodną fazę olejową.

To podstawowa granica między technologią a marketingiem. Produkcja na zimno nie oznacza, że wszystkie surowce są dodawane bez przygotowania. Oznacza, że receptura została zaprojektowana tak, aby nie wymagała podgrzewania zasadniczych faz przed emulgowaniem.

Temperatura nie poprawia receptury. Ona tylko umożliwia albo uniemożliwia prawidłowe przeprowadzenie określonych operacji technologicznych.

W procesie przemysłowym podgrzanie mieszaniny może mieścić się w zakresie 45–85°C. Konkretna wartość zależy od receptury, lepkości i właściwości surowców. Nie istnieje jedna temperatura właściwa dla wszystkich kremów. Zbyt niska nie stopi komponentów stałych. Zbyt wysoka może obciążyć składniki wrażliwe termicznie.

Metoda gorąca: gdy surowiec musi przejść w fazę ciekłą

Najbardziej klasyczny wariant to metoda „gorąco na gorąco”. Obie fazy są podgrzewane przed ich połączeniem. Faza olejowa osiąga temperaturę pozwalającą na stopienie wosków, maseł i emulgatorów. Faza wodna jest doprowadzana do temperatury zbliżonej do fazy olejowej. Dopiero wtedy rozpoczyna się właściwe emulgowanie.

Nie ma tu miejsca na przypadkowe dozowanie. W reaktorze trzeba kontrolować temperaturę, prędkość mieszadła oraz kolejność łączenia faz. Jeżeli faza olejowa będzie zbyt chłodna, część wosków pozostanie w postaci kryształów lub grudek. Jeżeli fazy będą miały znacząco różne temperatury, układ może utracić kontrolę nad wielkością kropli i lepkością.

Typowy przebieg procesu wygląda następująco:

1. Przygotowanie fazy wodnej.

Do reaktora trafia woda oczyszczona oraz składniki rozpuszczalne w wodzie. Humektanty, regulatory pH i inne komponenty są dozowane zgodnie z kartą technologiczną.

2. Przygotowanie fazy olejowej.

Oleje, masła, woski i emulgatory są ogrzewane do momentu uzyskania jednorodnej fazy. Czas procesu zależy od ilości i rodzaju składników stałych.

3. Wyrównanie temperatur.

Faza wodna i olejowa muszą pracować w zakresie przewidzianym dla danej receptury. Samo osiągnięcie wysokiej temperatury nie wystarcza. Liczy się również powtarzalność między partiami.

4. Połączenie faz.

Jedna faza jest dozowana do drugiej przy określonej prędkości mieszania. W tym momencie powstaje emulsja, ale nie jest jeszcze gotowym kremem.

5. Homogenizacja.

Układ poddaje się działaniu mieszadła wysokoobrotowego albo homogenizatora. Energia ścinania rozbija fazę rozproszoną na mniejsze krople. Parametry muszą być dobrane do lepkości i rodzaju emulsji.

6. Chłodzenie kontrolowane.

Po uzyskaniu właściwej struktury masa jest stopniowo chłodzona. Składniki wrażliwe termicznie, zapachowe i część substancji aktywnych mogą być dodawane dopiero na tym etapie.

7. Korekta końcowa.

Sprawdza się pH, lepkość, wygląd, jednorodność oraz masę właściwą, jeśli wymaga tego dokumentacja procesu. Dopiero potem produkt może trafić do rozlewu.

Metoda na gorąco nie jest synonimem starej technologii. Jest logicznym rozwiązaniem dla receptur zawierających składniki wymagające stopienia. Dotyczy to między innymi wosków, maseł i niektórych emulgatorów. Próba zastąpienia temperatury dłuższym mieszaniem często kończy się niestabilną strukturą.

Metoda „gorąco na zimno”

Istnieje również wariant określany jako „gorąco na zimno”. W tym układzie część wodna ma temperaturę 18°C, natomiast część olejowa zostaje ogrzana do 80°C. Zimna faza wodna jest wprowadzana do gorącej fazy olejowej.

To nie jest proces przypadkowy ani uproszczona wersja mieszania. Taki sposób prowadzenia procesu wymaga receptury, która toleruje gwałtowną różnicę temperatur. Znaczenie ma również sposób dozowania wody i praca mieszadła. Zimna faza może obniżać temperaturę układu bardzo szybko. Jeżeli emulgator nie pracuje prawidłowo w takim zakresie, emulsja będzie miała niewłaściwą strukturę.

Metoda może być stosowana wtedy, gdy określone komponenty fazy wodnej nie wymagają podgrzewania, a część olejowa musi zostać stopiona. Nie można jednak przenosić tego schematu na każdą recepturę.

Emulgowanie na zimno w kosmetyce: gdzie działa, a gdzie kończy się jego zakres

Produkcja na zimno jest możliwa wtedy, gdy składniki emulsji nie wymagają ogrzewania przed połączeniem. Stosuje się wówczas surowce płynne albo takie, które zostały zaprojektowane do pracy w temperaturze pokojowej. Układ może być prostszy technologicznie. Zużycie energii jest niższe. Czas przygotowania urządzeń również może się skrócić.

Nie oznacza to jednak, że proces jest pozbawiony wymagań. Emulgowanie na zimno w kosmetyce nadal wymaga kontroli kilku parametrów:

• temperatury surowców przed dozowaniem;
• kolejności dodawania fazy wodnej i olejowej;
• prędkości mieszania;
• czasu homogenizacji;
• lepkości w trakcie tworzenia emulsji;
• pH końcowego;
• kompatybilności konserwantu z całą recepturą;
• stabilności składników aktywnych.

W metodzie „zimno na zimno” składniki nie są podgrzewane przed zmieszaniem. To rozwiązanie ma sens, gdy faza olejowa nie zawiera komponentów wymagających topienia. Nie wolno traktować go jako uniwersalnego skrótu technologicznego.

Największe ograniczenie wynika z fizycznego stanu surowców. Olej płynny i ciekły emolient można wprowadzić do procesu bez ogrzewania. Wosk o określonym punkcie topnienia już nie. To samo dotyczy niektórych mas butter i emulgatorów o strukturze woskowej. Jeżeli receptura wymaga przejścia komponentu stałego w fazę ciekłą, temperatura jest częścią procesu, a nie opcjonalnym dodatkiem.

Produkcja na zimno a składniki aktywne

Argument o ochronie substancji aktywnych bywa prawdziwy, ale często jest nadmiernie upraszczany. Nie każdy składnik aktywny jest wrażliwy na ciepło. Nie każdy traci właściwości przy krótkiej ekspozycji na podwyższoną temperaturę. O odporności decydują między innymi budowa chemiczna, pH, obecność tlenu, światło, czas kontaktu z podwyższoną temperaturą i środowisko formulacyjne.

Jeżeli substancja aktywna jest niestabilna termicznie, można ją dodać po częściowym schłodzeniu masy. Nie rozwiązuje to jednak wszystkich problemów. Składnik musi jeszcze:

• rozpuścić się albo równomiernie zdyspergować;
• zachować stabilność w obecności wody i elektrolitów;
• nie zmienić lepkości emulsji;
• nie zaburzyć działania konserwantu;
• utrzymać deklarowane stężenie w całym okresie trwałości.

W formulacji liczy się nie samo hasło „aktywny składnik”, lecz jego forma chemiczna i miejsce w układzie. Kwas, sól, ester, ekstrakt wodny i proszek o tej samej nazwie marketingowej mogą zachowywać się zupełnie inaczej.

Tabela nie rozstrzyga, która technologia jest lepsza. Pokazuje tylko, że każda metoda ma własne ograniczenia materiałowe.

Metody mieszane: gorąco-gorąco na zimno

W praktyce technologicznej stosuje się również metody pośrednie. Jedną z nich jest „gorąco-gorąco na zimno”. Najpierw do ogrzanej fazy olejowej dodaje się część wody o temperaturze 18°C. Po dokładnym wymieszaniu wprowadza się pozostałą część wody.

Taki przebieg zmienia dynamikę procesu. Pierwsza porcja zimnej fazy wodnej wpływa na temperaturę, lepkość i warunki tworzenia emulsji. Następna porcja rozcieńcza układ i pozwala doprowadzić masę do końcowego składu. Nie jest to prosty podział wody na dwie równe części. Proporcje muszą wynikać z receptury i charakterystyki urządzenia.

W metodach mieszanych szczególnego znaczenia nabiera moment dodawania faz. Jeżeli dozowanie przebiega zbyt szybko, mieszadło może nie nadążyć z rozproszeniem wody. Jeżeli przebiega zbyt wolno, lokalne stężenie emulgatora lub zagęstnika może zmienić strukturę emulsji. W małej szarży efekt może być niewidoczny. W większym reaktorze pojawi się jako różnica lepkości między początkiem a końcem partii.

Reaktor nie jest dużym mieszadłem laboratoryjnym

Skalowanie procesu z laboratorium do produkcji przemysłowej wymaga osobnego opracowania. W laboratorium mieszadło może szybko ujednorodnić niewielką objętość. W reaktorze dochodzą martwe strefy, różnice temperatur przy płaszczu grzewczym, zmienny przepływ i inna geometria wirnika.

Ten sam czas mieszania nie oznacza tej samej jakości emulsji. Znaczenie ma:

• pojemność robocza reaktora;
• rodzaj mieszadła;
• prędkość obrotowa;
• obecność homogenizatora;
• lepkość masy;
• sposób wprowadzania faz;
• temperatura ścian zbiornika i środka masy;
• możliwość odprowadzania powietrza.

Wprowadzenie zimnej fazy wodnej do ogrzanej fazy olejowej może przebiegać poprawnie w jednym urządzeniu i dawać problemy w innym. Dlatego receptura kosmetyczna nie jest wyłącznie listą składników. To również instrukcja procesu: temperatury, kolejność, czas, obroty i warunki chłodzenia.

Dobra emulsja musi być nie tylko stabilna w laboratorium. Musi powstać tak samo w każdej kolejnej partii i w każdym punkcie objętości reaktora.

Wskaźnik HLB: liczba, która porządkuje dobór emulgatora

W doborze emulgatora wykorzystywany jest wskaźnik HLB, czyli równowaga hydrofilowo-lipofilowa. Skala mieści się w zakresie od 0 do 20. Wartość 0 oznacza związek silnie lipofilowy. Wartości wyższe wskazują na większy udział właściwości hydrofilowych.

HLB nie jest jednak samodzielną instrukcją technologiczną. Nie wystarczy dobrać emulgator o określonej liczbie i uznać receptury za zakończoną. Trzeba jeszcze uwzględnić:

• rodzaj olejów i estrów;
• udział fazy olejowej;
• obecność wosków i alkoholi tłuszczowych;
• typ emulsji;
• pH;
• elektrolity;
• zagęstniki;
• temperaturę procesu;
• sposób homogenizacji.

Dwa emulgatory o podobnej wartości HLB mogą dawać różną lepkość i stabilność. Również ta sama mieszanina emulgatorów może zachowywać się inaczej przy zmianie oleju, proporcji faz albo kolejności dozowania.

W praktyce HLB jest narzędziem do projektowania receptury. Nie zastępuje prób technologicznych i oceny stabilności. Pomaga zawęzić wybór, ale nie przewiduje całego zachowania emulsji w reaktorze.

Stabilność nie kończy się w chwili napełnienia opakowania

Krem może wyglądać poprawnie bezpośrednio po produkcji, a mimo to mieć wadliwą strukturę. Rozwarstwienie nie zawsze pojawia się natychmiast. Zmiany mogą dotyczyć lepkości, wielkości kropli, zapachu, koloru, pH albo równomierności rozproszenia składników.

Dlatego ocena gotowego produktu obejmuje nie tylko wygląd. W zależności od dokumentacji i rodzaju produktu kontroluje się między innymi:

1. Jednorodność masy.

Widoczne grudki, smugi albo separacja faz wskazują na problem z emulgowaniem, dozowaniem lub chłodzeniem.

2. Lepkość.

To parametr powiązany ze strukturą emulsji. Jego zmiana między partiami może oznaczać różnice w temperaturze, czasie mieszania lub jakości surowców.

3. pH.

Wpływa na stabilność niektórych składników, działanie konserwantu i kompatybilność z przeznaczeniem produktu.

4. Stabilność w czasie.

Emulsja powinna zachować zakładane parametry podczas przechowywania w określonych warunkach.

5. Zgodność z opakowaniem.

Formuła może oddziaływać z materiałem opakowania. Problemem bywa również niewłaściwe dozowanie produktu przez pompkę albo zmiana jego struktury w kontakcie z powietrzem.

6. Bezpieczeństwo mikrobiologiczne.

Faza wodna stwarza środowisko, w którym konieczne jest prawidłowe zabezpieczenie konserwujące i kontrola procesu.

W tym miejscu kończy się użyteczność prostego podziału na „naturalne”, „nowoczesne”, „zimne” i „gorące”. Produkt ocenia się po parametrach i powtarzalności, nie po nazwie metody.

Co metoda zmienia dla receptury kosmetycznej?

Proces na gorąco daje technologowi dostęp do surowców, których nie da się prawidłowo wykorzystać bez stopienia. Ułatwia przygotowanie fazy olejowej z woskami, masłami i emulgatorami o wyższym punkcie topnienia. Wymaga jednak dodatkowego etapu ogrzewania i późniejszego chłodzenia.

Proces na zimno ogranicza obciążenie termiczne receptury i może zmniejszyć zużycie energii. Jest prostszy wtedy, gdy wszystkie komponenty zostały dobrane do pracy bez podgrzewania. Nie pozwala jednak dowolnie wprowadzać stałych surowców do emulsji. Jeżeli składnik wymaga temperatury, nie zastąpi jej deklaracja producenta o produkcji na zimno.

Dla odbiorcy końcowego ważniejsze od samego procesu są jego konsekwencje:

• czy krem ma stabilną emulsję;
• czy lepkość pozostaje powtarzalna;
• czy składnik aktywny utrzymuje zakładane stężenie;
• czy produkt zachowuje parametry przez cały okres trwałości;
• czy kontrola jakości obejmuje gotową masę, a nie wyłącznie dokumentację surowców.

W produkcji kosmetyków na większą skalę liczy się także powtarzalność. Jedna udana partia nie potwierdza jeszcze poprawności technologii. Proces musi dać się odtworzyć przy kolejnych dostawach surowców, zmianach temperatury otoczenia, innym czasie postoju i pracy na pełnej objętości reaktora.

Jak oceniać deklarację „krem tworzony na zimno”?

Deklaracja o produkcji na zimno może być informacją technologiczną. Nie jest automatycznie certyfikatem jakości. Bez znajomości receptury i parametrów procesu nie pozwala wyciągnąć wniosku o stabilności ani skuteczności kosmetyku.

Rozsądna ocena powinna obejmować kilka pytań:

• Czy faza olejowa zawiera woski, masła lub emulgatory wymagające topienia?
• Czy producent opisuje typ emulsji i zastosowany układ emulgujący?
• Czy składniki aktywne są dodawane do fazy podgrzewanej, czy po schłodzeniu?
• Czy produkt ma określone parametry jakościowe, takie jak pH i lepkość?
• Czy metoda została dopasowana do konkretnego składu, czy jest tylko hasłem komunikacyjnym?
• Czy stabilność produktu oceniano w czasie, a nie tylko bezpośrednio po wytworzeniu?

Nie trzeba wymagać od każdego opakowania pełnej dokumentacji reaktora. Trzeba natomiast odróżniać informację od obietnicy. „Na zimno” oznacza określony sposób prowadzenia procesu. Nie oznacza mniejszej liczby składników, większej skuteczności ani automatycznie lepszego profilu bezpieczeństwa.

Wniosek z hali produkcyjnej

Wybór między procesem na zimno a na gorąco zaczyna się od surowców. Punkt topnienia wosków i emulgatorów, lepkość układu, typ emulsji oraz odporność termiczna substancji aktywnych wyznaczają zakres możliwych technologii.

Metoda „gorąco na gorąco” sprawdza się przy fazach zawierających składniki stałe. „Gorąco na zimno” wykorzystuje ogrzaną fazę olejową i wodę o temperaturze 18°C. Wariant „gorąco-gorąco na zimno” rozdziela dodawanie części wodnej. „Zimno na zimno” upraszcza proces wtedy, gdy receptura nie wymaga ogrzewania.

Nie ma jednej nadrzędnej metody. Jest tylko metoda zgodna albo niezgodna z recepturą. O jakości kremu decydują stabilność emulsji, kontrola pH, lepkość, bezpieczeństwo mikrobiologiczne i powtarzalność kolejnych partii. Reszta to opis handlowy.

W produkcji kremów na zimno czy na gorąco nie wygrywa technologia o niższej temperaturze. Wygrywa ta, która prowadzi do stabilnego produktu bez naruszania właściwości surowców.