Чем гель отличается от сорбента или крема и как его готовить в реакторе

Я тут обнаружила, что не все знают, чем гель и крем отличаются друг от друга. Если очень коротко — гель это почти твёрдое тело, только сейчас почему-то жидкое или мягкое, а крем — это эмульсия (смесь несмешиваемого). С точки зрения потребительницы косметики, это отличие заключается в текстуре. На деле же там всё куда интереснее.

Первая практическая разница в том, что гель — это каркас из чего-то твёрдого и полезная нагрузка. Сетка или матрица геля может образовываться из оксида алюминия, из желатина (да, он твёрдый, пока не образовал гель), поливинилового спирта и разных полимеров. Это высокомолекулярная фракция, то есть макромолекулы, пустоты в геометрии которых заполняются грузом — низкомолекулярной фракцией геля. Она называется дисперсной фазой. Часто это вода, простые спирты или органические соединения (углеводороды).

Тот самый силикагель, который лежит в упаковках с электроникой и регулирует в них влажность, — сухой гель. Полисорб (коллоидный диоксид кремния), который некоторые из вас пили при отравлениях, — тоже высушенный гель. И так далее.
А ещё гель может стать жидким кристаллом и обратно. Это важное свойство бислоя биомембран клеток, которое критически важно при гибернации животных.

Теперь давайте разберёмся с тем, почему и когда гель используется вместо крема, и что вообще такое крем.

Что такое крем

Крем — это смесь несмешиваемых жидкостей. Чаще всего речь про масло и воду. Как вы знаете, если аккуратно налить в стакан масло, воду и кефир, то они не смешаются. Если это выпить — через некоторое время в желудке всё же образуется подобие крема, но вам будет не до этого.

Если начать взбивать масло с водой, то может образоваться два состояния эмульсии:

• Прямая: это когда очень маленькая капля масла будет «завёрнута» в слой воды.
• Обратная: наоборот, когда капля воды будет «завёрнута» в слой масла.

В обоих случаях между фазами нет прочных молекулярных связей, основное удерживающее — это сила поверхностного натяжения. То есть достаточно некоторое время механически обрабатывать обе фазы в одной ёмкости, чтобы они разделились на небольшие капли и «прилипли» друг к другу. Естественно, мы делаем это в биореакторах, где можно контролировать и все условия среды, и гарантировать чистоту смешивания, и управлять механической обработкой, чтобы всё шло медленно и аккуратно. Процесс создания крема — это долгое медитативное перемешивание с заданной скоростью в заданных условиях. Если фазы были подготовлены правильно, то получается крем с нужной текстурой.

То есть обычный крем в большинстве случаев — это масло или эфир, в которые «для объёма» добавили 90 % воды. Что, как вы понимаете, очень нравится производителям косметики, потому что все действующие вещества в этом самом масле (или им являются), а вода помогает правильно его наносить на кожу и правильно продавать большой тюбик вместо маленького.

В такой самой популярной форме у нас прямая эмульсия, то есть масло в мембране из воды. Обратная эмульсия изготавливается гораздо сложнее, и себестоимость готового средства получается куда выше. Обратная эмульсия очень жирная. На практике это означает, что кремы с обратной эмульсией чаще всего встречаются среди средств для сухой или раздражённой кожи и их нельзя наносить на жирную или молодую кожу. Это атрофические кремы, возрастные кремы, средства под подгузник. Обратная эмульсия очень хорошо закрывает кожу слоем сверху и предотвращает трансэпидермальные водопотери, дополнительно защищает. То есть мы такой косметикой создаём дополнительный защитный слой, который какое-то время держится. Это очень помогает сохранить визуально молодой вид. Недостаток такого способа — коже всё же нужен доступ к воздуху и очистка, поэтому такая среда подходит только для тех ситуаций, когда проблемы с водопотерей уже начались.

Есть третий вид эмульсии — псевдоэмульсия. Это когда берётся гель на водной основе, обладающий незначительными эмульгирующими свойствами. В него уже «заворачивается» масляная фаза. Под микроскопом будет водная фаза геля, а внутри капли масла. Но единичная «капля» такого геля будет куда больше, чем в случае прямой и обратной эмульсий. Псевдоэмульсия имеет свойства крема, она технологически лёгкая в приготовлении и очень приятная на коже: не липкая, нет лишней жирности, при этом оставляет доступ к воздуху на коже.

В чём разница между кремом и гелем

Матрица (каркас) геля делает его нетекучим, позволяет сохранять форму (чаще всего речь о форме сопли), даёт некоторую пластичность и упругость. Если вы будете заменять слово «гель» на слово «желе», то не ошибётесь, значения у них одинаковые. Но мы же с вами профессионалы, поэтому не можем сказать, что у нас в тубе «желе для интенсивной регенерации» или «SPF-желе».

Гель довольно легко делать в плане себестоимости продукции, но при этом он легко получается нестабильным термодинамически. А это критично, поскольку для наших российских условий я всегда закладываю три года срока годности: это два года в логистике и на полке в аптеке по стандарту и ещё год на косяки экспедиторов. Меньше всего мне хочется делать возврат партии и расследование, что же пошло не так, если какой-то идиот опять не будет перевозить партию в кузове фуры в заданном температурном диапазоне. Поэтому я готовлю все гели к транспортировке на Дальний Восток, понимая специфику отечественной логистики.

Гели часто обладают нужной электропроводностью (поэтому мы делаем тоннами гели для ЭКГ, причём не разрушающие электроды), либо нужными акустическими качествами (скорее всего, последний раз, когда вам делали УЗИ, это был наш акустический гель). Всё благодаря каркасу.

Работа с гелями — это умение собирать нужные полимеры (а наша уютная лаборатория как раз родилась из НИИ полимеров в СССР) и контроль реакции. Когда вы начинаете добавлять в гель полезную нагрузку (дисперсную фазу), то важно проверить, чтобы она не реагировала с матрицей, упаковкой и сама с собой после полутора лет и не создавала новые неожиданные соединения. Как правило, кто дольше работает на рынке, тот и может делать более сложные гели. Уметь надо. Но обычно внутри геля всё достаточно прочно упаковано и никуда не убегает. Чего не скажешь о креме. Если вы открываете банку крема, купленного в ближайшем продуктовом, а там вода — то знайте, это он начал «размешиваться» обратно, то есть из состояния капель с мембранами превращаться в две несмешивающиеся жидкости.

Как раз поэтому, когда вы делаете профессиональную косметику или медсредства в форме крема, очень важно делать огромное количество тестов формулы на устойчивость. Чем больше действующих веществ вы кладёте (речь и про концентрацию, и про количество самих веществ), тем нестабильнее в среднем получается формула. Особенно в этом плане неприятны органические вещества, которые получаются из органических же источников: например, соли гиалуроновой кислоты трупного происхождения (из гребней петухов с птицефабрик) очень часто идут в комплекте с белками, которые будут потенциальными аллергенами во-первых, и разрушат нам гель во-вторых. Поэтому мы используем чистое сырьё из европейских биореакторов, где мирные бактерии сидят в чане и синтезируют всё в точности по техзаданию. Примерно те же проблемы «мусорных» примесей касаются всяких экстрактов ромашки и прочего, любимого адептами биокосметики, но поскольку это всё равно всё делается в чане с тонной химреагента и в несколько этапов реакций-выпаривания-сепарации, то дальше вопрос лишь в том, насколько производитель точно придерживался техпроцесса.

Если у вас есть качественное сырьё (о, сколько за этим боли в России!), то проблемы на этом не кончаются: отдел разработки лаборатории собирает сотни формул, которые потом тестируются в термошкафах по несколько месяцев, и только потом выходят в бету. А потом ещё догоняются челлендж-тестами.

А ещё очень многое зависит от точности процесса замешивания эмульсии и его стабильного соблюдения вплоть до сотых долей градуса.

Как делать прямую эмульсию

В каждой компании технический порядок для эмульсии устанавливается отдельно, и каждый раз это набор костылей, волшебных констант и почти шаманских действий, являющихся коммерческой тайной. Общеизвестен приблизительный техпроцесс. Наши возможности правильно смешивать разные вещи исключительно широки для России и даже мира, потому что всё же 22 года науки. Мы знаем почти всё про волшебные константы и некоторые хорошо предсказываем.

Ещё важен опыт технолога. Если дать излишнюю обработку на стадии гомогенизации — эмульсия может просто развалиться. С ней надо обращаться очень аккуратно.

Масляная фаза для прямой эмульсии выбирается по тому, какую текучесть крема мы хотим получить в итоге и какие ощущения он должен оставлять на коже. В нашем случае для разных средств берётся масляная фаза из натуральных масел, синтетических эфиров, силиконов (они самые приятные по сенсорике на коже). Есть масла-эмоленты жирные, лёгкие, есть летучие с сухим финишем, есть со средней растекаемостью. Этими параметрами разработчик рецептуры может играть. Если мне нужна текстура оил-фри (для жирной кожи) для молодёжи, то я беру эфиры. В итоге эмульсия выглядит как масло и ведёт себя как масло, но при этом позволяет давать сухой финиш без блеска.

После правильного комбинирования состава для масляной фазы добавляем некоторое количество эмульгатора. Мы используем только такие, которые дают ламеллярную структуру эмульсии, родственную структуре липидов кожи. Их называют инновационными, но мы их разрабатывали ещё лет десять назад, и над чем-то похожим работало ещё первое поколение советских учёных нашего НИИ, поэтому для нас это немного баян. Но инновационные эмульгаторы — возможно, круто звучит для рекламы. А ещё они, увы, дорогие. Точнее — ДОРОГИЕ. Поэтому мы очень часто можем добиться совершенно невозможных в обычной косметике показателей, но цена на полке будет в два раза выше аналогов. Собственно, только-только начали решать это маркетингом, и в основном — на экспорт в другие страны.

Эмульгатор — твёрдое воскообразное вещество. Он греется в масляной фазе примерно до 80–85 градусов, плавится. Параллельно подготавливаем водную фазу, чаще всего с 3 % глицерина (это тот же спирт, что используется в нашем теле для синтеза жира или для реакций с углеводами для образования главных энергоэлементов клетки — АТФ). Дальше берём фазу в аппарате и с перемешиванием добавляем жирную фазу с эмульгатором. Гомогенизатор — это роторный механизм, который делает 3 000 оборотов в минуту. Он дробит капли масляной фазы и делает так, чтобы она окружалась эмульгатором. Именно использование гомогенизатора делает размеры частиц мелкими, а чем мельче размер частицы — тем стабильнее эмульсия при прочих равных. А стабильность влияет на товарный вид: если из тубы вместо крема вода или жир, а потом сам крем, только он странный и кусками — знайте, это плохой гомогенизатор или решили сэкономить на техпроцессе.

Кстати, даже майонез такой бывает. С майонезом вообще оказался дикий сюрприз: когда мы купили такой для бутербродов в командировке, то он как раз полез кусками. Опытный глаз технолога определил, что это прямая эмульсия. При том что в майонезе должно быть около 67 % жирной фазы, это само по себе уже нонсенс. Взяли образцы этого вещества, довезли до лаборатории, исследовали. Оказалось, некоторые производители делают прямую эмульсию с очень интересной упаковкой. Получается сильно дешевле нормального для майонеза техпроцесса с образованием обратной эмульсии. Да, текстура неровная, появляется горбатая поверхность и куски.

Стабильность готовой эмульсии определяется по ГОСТу 1991 года. Тогда это определялось на глаз: крутили в центрифуге при определённых условиях и смотрели, расслоилось или нет. То есть давали экспертные оценки по шкалам на уровне: «вроде, норм», «что-то не то» и «совсем не то». Поскольку процесс несколько странен, и для него нужна дорогущая центрифуга, далеко не все производители кремов на это заморачиваются. У нас в лаборатории, конечно, есть, но мы таким тестом не ограничиваемся.

Особенности производства

Очень многое, создаваемое в лаборатории, потом достаточно сложно повторить на производстве. Кремовые аппараты нестандартные, причём результат их работы часто зависит от квалификации сотрудников. Поскольку они все делаются людьми без опыта нашего НИИ, качественного ничего на рынке попросту нет. При эксплуатации часто находим серьёзные недостатки, которые не позволяют делать коммерческие серийные партии. Надо за свой счёт устранять и пересобирать своё же оборудование. Техпарк производства кремов-гелей и вообще всего подобного представляет собой очень ценный ресурс. У нас на производстве, например, труд прошлых поколений технологов очень хорошо виден. Результаты труда остаются с нами.

Из недавних примеров — был гомогенизатор выносной в виде отдельного узла. То есть гомогенизатор находился вне аппарата (обычно он встраивается в конус реактора), а магистраль к двигателю сделали невообразимого диаметра. Обычно диаметр 50 мм, а он 150 мм примерно. Длина трассы такая, что гомогенизация горячего процесса происходила хорошо, но фаза за время транспортировки в конус реактора успевала охладиться.

Начиналось расплавление, и дальше вы знаете, как взрывается ядро РБМК

На самом деле у нас биореактор и всё проще. Начинала происходить кристаллизация сырьевых компонентов, которые я ожидала увидеть в другое время. Это в ядерной физике «ожидала в другое время» почти так же страшно, как «упс». У нас это просто списанная партия. В итоге наши сотрудники вместе с инженерами сделали из этой трассы обрез и теплоизолировали его. Когда мы эту штуку покупали, оказалось, что про такой эффект вообще никто не думал. Как они на этом планировали работать при целевых температурах, непонятно.

Ещё недавно покупали аппарат, начали настраивать и выяснили, что он вообще не подходит для кремов высокой вязкости. Пришлось продавать тем, кто делает обычную косметику для «Ашана», там другие среды. Потом купили новый аппарат, а у него рабочая нагрузка выше, и пусковой ток такой, что для нашей электростанции это неприемлемо. Пришлось маневрировать старым аппаратом меньше, вписывать включения нового в график производства при отключении многих других узлов и вообще жонглировать мощностью. Несколько месяцев ушло на то, чтобы привести новый ввод от города и начать его пока тестовую эксплуатацию. Но растём.

Сами реакторы обычно представляют собой ёмкость из толстого слоя нержавеющей стали с достаточным содержанием хрома, обложенную ТЭНами. Вокруг бывает «рубашка», это обечайка типа термослоя, куда можно заливать холодную воду для охлаждения реактора, либо пускать туда горячий пар. Аппарат снабжён тихоходной рамной мешалкой, которая обеспечивает равномерность нагрева (это основная функция). Гомогенизатор (который мешает быстро-быстро) обычно или погружной роторно-статорный либо выносной в виде двигателя, который вне аппарата представляет отдельный модуль с магистралью. Через магистраль приходится гонять эмульсию в горячем виде, поэтому часто удобнее, когда гомогенизатор уже внутри. Дно аппарата конической формы, чтобы жидкость под действием гравитации могла свободно литься без дополнительных усилий. Выгрузка через коническое дно может происходить самотёком или насосом, обычно в антисептический пакет, уложенный в бочку. Бочки — это промежуточные ёмкости, дальше из них на линии упаковки уже фасуются тубы. Средняя потеря на стенках, магистралях, в шланге насоса от 3 % до 5 % массы крема. Если речь про небольшие партии профессиональной косметики, то аппараты используются маленькие. А дальше геометрия: чем больше объём, тем лучше соотношение с площадью стенок с точки зрения возможных потерь. На маленьких аппаратах потери до 10 %, и с этим ничего не сделать.

Ещё на аппаратах часто бывают люки не только для загрузки, но и чтобы смотреть. Иногда бывает, смотришь, как гель образуется. Если вы дома любите смотреть в стиральную машину, то вам понравится. Первые два раза незабываемое зрелище.

Всё сырьё на производстве импортное. Русская только вода, и то потому что мы её сами очень сильно доготавливаем. Ещё ряд белков поставляется из России, потому что у нас есть чокнутый друг-левша, который любит синтезировать необычные вещи на своём производстве.

Вот примерно так мы делаем кремы. Очень сложно было «упаковать», например, в увлажняющий крем ^[1] для лица сразу УФ-защиту (это не частицы металлов, как обычно, создающие белый экран, а химические агенты, препятствующие проникновению лучей A и B-типа), масла для основы, инновационный эмульгатор из оливкового масла, соли гиалуроновой кислоты из того самого чана (они удерживают воду, чтобы трансдермально проносить её глубоко), декспантенол, антиоксидант (витамин Е) и многое другое, включая минимальное количество консерванта. Каждый компонент подбирался так, чтобы усиливать функцию и при этом не вступать во взаимореакции с остальным составом. В общем, это наш маленький шедевр плотной упаковки действующих веществ, который довольно сложно продавать, поскольку мы слегка увлеклись фичами. Следующая версия была на основе одной из «выстреливших» фич, но уже для другой задачи: массажный крем SPA-Апельсин ^[2], он придаёт коже сияние и не оставляет жирный блеск, подходит как массажный, защищает от холода и жары, для сухой кожи важен для регулярного ухода. Ну и oil-free солнцезащитный крем ^[3], вы уже знаете по посту про ультрафиолет на лице человека. Многие наработки используются в скрабах и других средствах.

Автор: Елена Пастухова

Источник ^[4]