Стерилизация без биоциди и диспергиране на покрития на водна основа

Покритията на водна основа се използват широко, защото позволяват създаването на състави с ниско съдържание на летливи органични съединения (ЛОС), по-безопасна работа и по-устойчиво производство. Същевременно съдържанието на вода ги прави силно податливи на микробно замърсяване. Бактерии, дрожди и плесени могат да попаднат в продукта чрез суровините, резервоарите, тръбопроводите, системите за пълнене или излагането на околната среда по време на производството и съхранението. След възникване на замърсяване микроорганизмите могат да се размножат бързо и да компрометират както качеството на продукта, така и срока му на годност.
Ето защо микробната стабилност е критичен фактор за качеството на бои, покрития, мастила и пигментни дисперсии на водна основа.

Ултразвуковата обработка съчетава диспергиране на пигменти и микробен контрол в един промишлен процес

Традиционно производителите разчитат на консерванти и биоциди за защита на продукта в опаковката, за да контролират развалянето. Нарастващият регулаторен натиск и увеличаващото се търсене на по-чисти състави обаче стимулират търсенето на алтернативи. Високоинтензивната ултразвукова обработка предлага високоефективно решение, като позволява едновременно диспергиране и стерилизация в един технологичен етап.
За производителите на покрития това означава, че ултразвуковата обработка е не само технология за диспергиране. Тя е и мощен технологичен инструмент за подобряване на микробиологичната стабилност, като същевременно подпомага стратегии за разработване на състави с ниско съдържание на биоциди или без биоциди.

Защо микробната стабилност е критично важна за промишленото производство на бои на водна основа

Микробното замърсяване влияе пряко върху качеството на продукта и надеждността на процеса: микробната стабилност на боите има голямо промишлено значение, защото микробният растеж може да предизвика редица дефекти на продукта и производствени проблеми. Съставите на водна основа често съдържат органични съставки като свързващи вещества, диспергиращи агенти, омокрящи агенти, сгъстители и пеногасители. Тези компоненти могат да създадат благоприятна среда за микробен растеж, ако по време на обработката или съхранението възникне замърсяване.

В промишлената практика недостатъчният микробен контрол може да доведе до:

• изменение на вискозитета и промени в pH
• образуване на газ и издуване на опаковките
• неприятна миризма и промяна на цвета
• намалена стабилност при съхранение
• дефекти на покривния филм и непостоянно поведение при нанасяне
• при вани за боядисване чрез потапяне – повишена честота на почистване и престои, свързани със замърсяване

Микробното разваляне не само уврежда продукта. То може също да създаде повтарящи се хигиенни проблеми в резервоари, тръби и рециркулационни контури, което води до производствени загуби, преработка, клиентски рекламации и разходи за обезвреждане. Поради тази причина микробната стабилност не е второстепенно свойство. Тя е основно изискване за търговски успешни покрития на водна основа.

Как действа ултразвуковата обработка в покрития на водна основа

Акустичната кавитация създава интензивно срязване и по този начин разрушава микроорганизмите: мощният ултразвук действа чрез акустична кавитация. Когато ултразвуковите вълни преминават през течност, се образуват микроскопични мехурчета, които нарастват и имплодират. Тези кавитационни събития пораждат силно локализирани сили на срязване, турбулентност, промени в налягането и микроструи.
В покритията на водна основа тези кавитационни ефекти са ценни, защото действат едновременно върху частиците и микроорганизмите. Пигментните агломерати се разграждат ефективно до по-фини частици, а микробните клетки се увреждат механично и се инактивират. Това прави ултразвуковата обработка особено привлекателна за състави, при които както качеството на диспергиране, така и микробната стабилност са от съществено значение.

Един технологичен етап изпълнява две критично важни функции

Вместо диспергирането на пигменти и микробният контрол да се разглеждат като отделни задачи, ултразвуковата обработка ги съчетава в една операция. Този двоен ефект предлага ясно промишлено предимство.

Същата ултразвукова енергия, която деагломерира пигментните струпвания и диспергира частиците равномерно, може също да намали количеството жизнеспособни микроорганизми в покритието. В резултат на това ултразвуковата обработка подпомага:

• по-фино и по-равномерно диспергиране на пигментите
• подобрена оцветяваща способност и постоянство на оптичните свойства
• намалено микробно замърсяване по време на обработката
• подобрена стабилност при съхранение на продуктите на водна основа
• по-малка зависимост от консерванти и биоциди за защита на продукта в опаковката

Това прави ултразвуковата обработка особено значима за разработването на по-устойчиви системи за покрития с по-чист списък на съставките.
 

Ултразвуково диспергиран силициев диоксид: червена крива – необработен; зелена крива: след ултразвуково диспергиране

Предимства на едновременното диспергиране и едновременната стерилизация на пигменти за бои

1. По-доброто качество на диспергиране подобрява експлоатационните характеристики на покритието
   Пигментите и пълнителите често образуват агломерати, които трудно се разрушават при недостатъчна механична енергия. Ултразвуковата обработка осигурява интензивно и целенасочено срязване, което я прави високоефективна за деагломерация и намаляване на размера на частиците. По-финото диспергиране може да подобри редица експлоатационни характеристики на крайното покритие, включително развитието на цвета, покривността, гланца и дългосрочната стабилност.
2. Едновременната стерилизация подпомага намаляването на биоцидите
   Същевременно ултразвуковата кавитация може да увреди микробните клетки, намиращи се в течната фаза. Това намалява замърсяването в продуктовия поток и спомага за подобряване на микробната стабилност, без да се разчита изключително на химично консервиране. За производителите, стремящи се към системи с ниско съдържание на биоциди или без биоциди, това е значително технологично предимство.
3. Интензификацията на процеса намалява сложността
   Съчетаването на две ключови технологични цели в един етап в производствената линия опростява производството. Вместо да добавят отделни етапи на обработка за диспергиране и микробен контрол, производителите на покрития могат да интегрират и двете в един контролиран процес на ултразвукова обработка. Това намалява операциите по прехвърляне и манипулиране, подпомага по-чистото производство и подобрява възпроизводимостта.

Защо обработката без биоциди придобива все по-голямо значение

Регулаторните, екологичните и пазарните изисквания променят стратегиите за разработване на състави
Преминаването към покрития с ниско съдържание на биоциди и без биоциди се обуславя от няколко промишлени фактора. Регулаторните рамки стават по-строги, екологичните очаквания нарастват, а клиентите търсят по-безопасни и по-устойчиви продукти с по-малко вещества, пораждащи опасения.
В този контекст физичните технологии за обработка придобиват стратегическо значение. Ултразвуковата обработка е особено привлекателна, защото не просто заменя една добавка с друга. Тя въвежда нехимичен принцип на обработка, който чрез механична енергия подобрява както диспергирането, така и микробната стабилност.

За специалистите по разработване на състави и производствените ръководители това предлага няколко предимства:

• подкрепа за по-устойчиви продуктови концепции
• намалена зависимост от конвенционални консерванти
• подобрена хигиена на процеса
• по-силно пазарно позициониране на покритията на водна основа от следващо поколение

Защо ултразвуковите апарати Hielscher са най-доброто решение за промишлено производство на покрития

Прецизен контрол за възпроизводими условия на обработка

Ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани за управление на промишлени процеси. При производството на покрития прецизният контрол на параметрите на ултразвуковата обработка е от съществено значение, защото поведението на състава зависи от вида на пигмента, съдържанието на твърди вещества, вискозитета, температурата, дебита и интензивността на обработката.

Системите Hielscher позволяват точно регулиране на важни технологични параметри като:

• амплитуда
• налягане
• дебит / време на престой
• температура
• внесена енергия

Тази прецизност позволява на производителите да оптимизират диспергирането на пигментите, като подобряват качеството на състава и постигат възпроизводимо намаляване на количеството микроорганизми.

Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на вегетативни клетки на B. subtilis преди (a) и след ултразвуково облъчване в продължение на 30 min (b), (c).
Изследване и изображение: © Hashimoto et al., 2020

Проточни клетки с възможност за работа под налягане за интензифицирана ултразвукова обработка

Повишеното налягане увеличава интензивността на кавитацията
Ключово предимство на технологията Hielscher е използването на реактори с проточни клетки, които могат да работят под налягане. Налягането оказва силно влияние върху поведението на кавитацията. При повишено налягане кавитацията става по-интензивна и по-ефективна, което е особено ценно при взискателни задачи по диспергиране и непрекъснато инактивиране на микроорганизми.

Проточните клетки с възможност за работа под налягане подпомагат:

• интензифицирана ултразвукова обработка
• по-ефективна деагломерация
• подобрена ефективност на процеса

За промишлените предприятия за покрития това означава, че ултразвуковата обработка може да се настрои не само за осъществимост в лабораторен мащаб, но и за реалния производствен капацитет и изискванията към продукта.

Обработка в производствената линия за непрекъснато производство

Ултразвуковата обработка може да се интегрира директно в производствената линия
Ултразвуковите апарати Hielscher са изключително подходящи за обработка в производствената линия. Това позволява покритията на водна основа да се обработват непрекъснато, докато преминават през производствената система. Ултразвуковата обработка в производствената линия се вписва добре в промишленото производство, защото избягва ненужните операции по манипулиране на партиди и може да се интегрира в контури за прехвърляне, рециркулационни системи или специализирани технологични линии.

Обработката в производствената линия предлага ясни експлоатационни предимства:

• непрекъсната обработка при определени условия
• лесно интегриране в съществуващи предприятия
• намалени ръчни операции
• подобрена ефективност и постоянство на процеса

За производителите на покрития това превръща ултразвуковата обработка в практична производствена технология.

TiO2, изсушен чрез разпръскване, преди и след ултразвуково смилане

Линейно мащабиране от лабораторията до промишленото производство

Технологичните параметри могат да се пренасят надеждно между различни мащаби
Увеличаването на мащаба е критичен въпрос при разработването на процеси. Ултразвуковите системи Hielscher са проектирани за линейно мащабиране, което означава, че технологичните условия, установени в лабораторен или пилотен мащаб, могат систематично да се пренасят в промишленото производство.
Това е особено важно за компаниите, които разработват иновативни покрития с ниско съдържание на биоциди, защото намалява риска при внедряването и спомага за ускоряване на пазарната реализация.

Предимствата на линейното мащабиране включват:

• по-лесно разработване на процеси
• надежден преход от научноизследователска и развойна дейност към производство
• предвидими резултати при по-голям производствен капацитет
• по-малка неопределеност при увеличаване на мащаба

Лесно почистване и хигиенно проектиране на процеса

Възможността за почистване е важна, когато целта е микробна стабилност
Ако микробният контрол е ключова технологична цел, хигиената на оборудването става още по-важна. Ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани за практично промишлено почистване и лесно интегриране в хигиенни технологични среди.

Лесното почистване помага на производителите да:

• намалят рисковете от замърсяване в оборудването
• спрат микробния растеж
• намалят времето и усилията за почистване и поддръжка
• подобрят надеждността на процеса при многократни производствени цикли

При покритията на водна основа, където замърсяването може да се задържи в резервоари, мъртви зони и системи за прехвърляне, лесното за почистване ултразвуково оборудване допринася пряко за стабилността на продукта и експлоатационната устойчивост.

Ултразвуково обработената тебеширена боя върху гриндометъра демонстрира съвършено равномерната деагломерация и разпределението на пигментните частици по размер

Възпроизводими резултати за промишлено осигуряване на качеството

Постоянството е от съществено значение за производителите на покрития
Промишленото производство на бои изисква висока възпроизводимост на технологичните резултати. Оптичните свойства, реологията, срокът на годност и микробиологичната стабилност трябва да остават постоянни между отделните партиди и през дълги производствени периоди.

Ултразвуковите апарати Hielscher осигуряват възпроизводими условия на ултразвукова обработка, които подпомагат:

• равномерно диспергиране на пигментите
• стабилно намаляване на размера на частиците
• постоянство на обработката срещу микроорганизми
• надеждно качество на продукта при различните производствени серии

Тази възпроизводимост е от съществено значение за валидирането на процесите, осигуряването на качеството и промишленото внедряване на ултразвуковата технология.

Ултразвуковата обработка като стратегическа технология за съвременни покрития на водна основа

Промишлеността за покрития се насочва към състави, които са по-устойчиви, съдържат по-малко опасни добавки и имат по-стабилни експлоатационни характеристики. Ултразвуковата обработка се вписва изключително добре в тази посока, защото решава едновременно две основни производствени предизвикателства: необходимостта от ефективно диспергиране на пигментите и необходимостта от микробна стабилност.
Като съчетава тези функции в един технологичен етап, ултразвуковата обработка помага на производителите да опростят производството, да подобрят качеството на покритията и да намалят зависимостта от конвенционални системи за консервиране. Това прави ултразвуковата обработка особено привлекателна за архитектурни бои, промишлени покрития, функционални дисперсии, мастила и сродни системи на водна основа.
Ултразвуковите апарати Hielscher осигуряват необходимата промишлена платформа за практическо прилагане на тази стратегия. Техният прецизен контрол, проточни клетки с възможност за работа под налягане, възможност за обработка в производствената линия, линейно мащабиране, лесно почистване и възпроизводими резултати ги правят особено подходящи за производство на бои и покрития.

Възползвайте се от ултразвуковото диспергиране и ултразвуковата стерилизация на покрития

Стерилизацията без биоциди и диспергирането на покрития на водна основа чрез ултразвукова обработка са многообещаващ подход за съвременното производство на бои. Ултразвуковата обработка подобрява диспергирането на пигментите, намалява микробното натоварване и подпомага по-висока стабилност на продукта в един интегриран процес. Това съчетание е особено ценно в промишленост, която е под нарастващ натиск да намали консервантите, като същевременно поддържа високо качество на продукта и ефективност на процеса.
За производителите на бои и покрития на водна основа ултразвуковите апарати Hielscher предлагат практично и промишлено доказано решение. Възможността за управление на процеса, интегрирането в производствената линия, конструкцията на проточните клетки за интензифицирана обработка, възможността за мащабиране, лесното хигиенно почистване и възпроизводимите резултати ги правят отличен избор за едновременно диспергиране и стерилизация на пигменти за бои.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Източници

• Spiteri, D., Chot-Plassot, C., Sclear, J., Karatzas, K. A., Scerri, C., Valdramidis, V. (2017): Ultrasound processing of liquid system(s) and its antimicrobial mechanism of action. Letters in
  Applied Microbiology, 65 (4), 2017.. 313-318.
• N.P. Badgujar Y.E. Bhoge T.D. Deshpande B.A. Bhanvase P.R. Gogate S.H. Sonawane R.D. Kulkarni (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44, Iss. 4. 214 – 223.
• Karekar, Sammit; Bhanvase, Bharat; Sonawane, Shirish; Deosarkar, Manik; Pinjari, Dipak; Pandit, Aniruddha (2014): Synthesis of zinc molybdate and zinc phosphomolybdate nanopigments by an ultrasound assisted route: Advantage over conventional method. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 87, 2014.
• Aydin, Z., Turgut, S. & Akbas, H.Z. (2018): Structural Differences of BaTiO3 Ceramics Modified by Ultrasonic and Mechanochemical Methods. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 57, No. 7-8, November, 2018.