Kaltemulgierung in der Kosmetik: Vibrationsmischen im Vergleich zum Rotor-Stator-Verfahren

Die Kaltemulgierung setzt sich in der kosmetischen Produktion zunehmend als Standard durch. Getrieben vom Bedarf, den Energieverbrauch zu senken, wärmeempfindliche Wirkstoffe zu schützen und mit natürlichen Verdickungsmitteln zu arbeiten, die unter thermischer Belastung abgebaut werden, wechseln immer mehr Hersteller vom Heißprozess ab. Die entscheidende Frage ist, welche Mischtechnologie unter Kaltprozessbedingungen tatsächlich stabile, hochwertige Emulsionen liefert. Rotor-Stator-Homogenisatoren sind die etablierte Wahl, stoßen jedoch bei viskosen, strukturierten oder partikelbeladenen Formulierungen an ihre Grenzen. Dieser Artikel präsentiert vergleichende Leistungsdaten des FUNDAMIX® Vibro-Mischers gegenüber einem Rotor-Stator-Referenzgerät, basierend auf einer Studie von Forschern der Hochschule Niederrhein, die auf der DECHEMA 2024 vorgestellt wurde.

Wie schneidet das Vibrationsmischen bei der Kaltherstellung von Emulsionen ab?

Unter kontrollierten Laborbedingungen produzierte der FUNDAMIX® stabile Kaltprozess-Emulsionen über mehrere getestete Formulierungen hinweg. Während Rotor-Stator-Homogenisatoren aufgrund der höheren Scherkräfte kleinere mittlere Tröpfchengrößen erzeugten, lieferte der Vibrationsmischer durchgehend Emulsionen mit höheren Viskositäten und stabiler Mehrphasenstrukturierung. Diese klare Leistungsdifferenzierung ist für die kosmetische Emulgierung von hoher Relevanz, da Viskosität, Textur und Stabilität zentrale Qualitätsindikatoren bleiben.

Die gemessenen Viskositäten lagen zwischen etwa 8.200 und 8.500 mPa·s, verglichen mit rund 6.100 bis 7.400 mPa·s für das Rotor-Stator-Referenzgerät. Je nach Formulierung entspricht dies Bulk-Viskositätswerten, die jene des Rotor-Stator-Verfahrens um mehr als 30 Prozent übersteigen – ein Hinweis auf einen stärkeren strukturellen Aufbau der Emulsion anstelle einer feineren Tröpfchengrößenreduktion.

Diese höhere Viskosität korreliert mit einer effektiven Strukturierung der dispersen Phase und einer effizienten Verteilung von Stabilisatoren wie xanthan gum oder Stärke. Die mikroskopische Auswertung zeigte gut strukturierte Tröpfchensysteme mit minimalen Anzeichen von Koaleszenz und belegt damit die Fähigkeit des Vibrationsmischers, selbst in Gegenwart von Pigmenten, Scrubs oder anderen dispersen Partikeln stabile Emulsionen zu erzeugen.

Eine weitere strategisch relevante Beobachtung für die kosmetische F&E ist die natürliche Bildung von W/O/W-Strukturen bei der Eintopfverarbeitung. Das schersensitive Verarbeitungsregime unterstützt die Entwicklung multipler Emulsionen ohne Kollaps und ermöglicht innovative Sensorikprofile sowie kontrollierte Freisetzungskonzepte, die typischerweise schonende Verarbeitungsbedingungen erfordern.

Formulierung M-49: O/W-Emulsion, 0,7 % xanthan gum, 3,0 % Stärke (Rheologieadditiv), Kaltprozess (25°C/25°C), 200 g Ansatz

Warum ist das Vibrationsmischen energieeffizienter und skalierbarer?

Der Energieverbrauch ist ein entscheidender KPI in modernen Kosmetikbetrieben. In der Vergleichsstudie der Hochschule Niederrhein (Pastewski et al., DECHEMA, 2024) zeigten Leistungsmessungen an identischen Kaltemulgierungsformulierungen, dass der FUNDAMIX® Vibro-Mischer 27 bis 32 W verbrauchte, verglichen mit 119 bis 135 W für einen Rotor-Stator-Homogenisator bei denselben Rezepturen. Dies entspricht einem etwa viermal niedrigeren Energieeinsatz zur Herstellung einer stabilen Emulsion vergleichbarer Qualität.

Die Kaltemulgierung verstärkt diesen Vorteil zusätzlich. Konventionelle Heiß/Heiß-Prozesse erfordern das Erhitzen sowohl der Öl- als auch der Wasserphase auf 80°C vor dem Mischen. Durch die Arbeit bei Umgebungstemperatur entfällt dieser thermische Energieeinsatz vollständig – zusätzlich zum Mischeffizienzgewinn.

Der FUNDAMIX® gewährleistet zudem operative Vorhersagbarkeit durch die Vermeidung von Wirbelbildung, ermöglicht hohe Füllstände und stabilen Chargenbetrieb über einen weiten Viskositätsbereich. Für Betriebe, die Kaltprozessstrategien einführen oder erweitern, bietet dies eine direkte Möglichkeit, den thermischen Energiebedarf zu minimieren und gleichzeitig eine gleichbleibende Produktqualität aufrechtzuerhalten – was flexiblere und modularere Anlagenkonzepte unterstützt.

Darüber hinaus entsprechen die mechanische Einfachheit des Systems, das Fehlen rotierender Dichtungen und das minimale Wartungsprofil gut den Hygiene- und Verfügbarkeitsanforderungen in der Kosmetikproduktion.

Wo kann das Vibrationsmischen in der Kosmetikproduktion Mehrwert schaffen?

Mit seinem charakteristischen Strömungsverhalten und seiner Anpassungsfähigkeit an empfindliche Formulierungen bietet der FUNDAMIX® überzeugende Möglichkeiten in verschiedenen kosmetischen Verarbeitungsschritten. Seine Prozessstabilität, das schonende Scherprofil und die effizienten Mischdynamiken passen gut zu der Bewegung der Industrie hin zu natürlichen Formulierungen, Kaltemulgierung und fortschrittlichem Texturengineering. Insbesondere die Fähigkeit zur Bildung strukturierter Tropfen-in-Tropfen-Systeme trägt zu einer erhöhten Emulsionsstabilität und einem gesteigerten scheinbaren Volumen bei, was vor allem für cremeartige Kosmetikprodukte vorteilhaft ist.

• Kaltemulgierung von Cremes, Lotionen und Seren unter Verwendung natürlicher Verdickungsmittel und biologisch abbaubarer Öle, mit Vorteilen durch Tropfen-in-Tropfen-Strukturen, die die Stabilität verbessern und bei konstanter Masse ein höheres scheinbares Volumen ergeben.
• Pigmentdispergierung für Scrubs, getönte Formulierungen und funktionelle Additive in strukturierten Mehrphasensystemen, ohne das Risiko einer Scherungsschädigung.
• Suspensionshomogenisierung in hochviskosen Medien, in denen konventionelle Rührer tote Zonen aufweisen oder erhöhten Energieeinsatz benötigen, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer kontrollierten Phasenverteilung.
• Verkapselung oder multiple Emulsionen, die fortschrittliche Freisetzungsmechanismen für Wirkstoffe durch schonende Verarbeitung und stabile Tropfen-in-Tropfen-Bildung unterstützen.

FUNDAMIX® Vibro-Mischer während der Kaltemulgierungsversuche an der Hochschule Niederrhein, 2024.

Kaltemulgierung in der Kosmetik: Wie man den Mischenergieverbrauch um 75% senkt, ohne die Emulsionsqualität zu beeinträchtigen

Fazit

Die technischen Ergebnisse positionieren das Vibrationsmischen als Technologie mit hohem Potenzial für zukunftsorientierte Kosmetikhersteller. Auch wenn es die Hochscherhomogenisierung dort nicht ersetzt, wo ultrafeine Tröpfchengrößen zwingend erforderlich sind, etabliert der FUNDAMIX® Vibro-Mischer seinen Mehrwert klar in den Bereichen Kaltverarbeitung, hochviskose Systeme, natürliche Formulierungen und energieoptimierter Betrieb. Die Fähigkeit, stabile Emulsionen herzustellen, partikelbeladene Systeme zu verarbeiten und einen geringen Energieeinsatz beizubehalten, schafft einen überzeugenden Business Case sowohl für Formulierungslabore als auch für Produktionsbetriebe, die ihren Verarbeitungsfußabdruck modernisieren möchten.

Fertige Emulsionen auf Petrischalen. Links: FUNDAMIX® Vibro-Mischer. Rechts: Rotor-Stator-Homogenisator. Die dichtere, kohäsivere Textur der FUNDAMIX-Emulsion spiegelt die höhere Strukturviskosität wider, die in allen getesteten Formulierungen gemessen wurde.

References
Pastewski, J., Lenters, L., Schultz, H. J., Wanninger, A.
Leistungsvergleich von Mischverfahren bei der Kaltherstellung von nachhaltigen kosmetischen Emulsionen.
Hochschule Niederrhein – University of Applied Sciences.
Presentation at the DECHEMA Annual Meeting, Fachgruppe Mischvorgänge, Schopfheim, Germany, March 7, 2024.