Водно-парафинови емулсии: икономично производство на свещи с помощта на ултразвук

Ултразвуковото емулгиране е мощна технология за преработка, предназначена за производители на свещи, които желаят да намалят потреблението на парафин, да подобрят контрола върху състава и да разширят производството си ефективно. Чрез диспергиране на до 10% вода в разтопения парафинов восък производителите на свещи могат да намалят разходите за суровини, като същевременно поддържат хомогенна восъчна фаза, подходяща за промишлено производство на свещи. Ултразвуковите апарати с сонда на Hielscher осигуряват високоинтензивната кавитация, необходима за създаването на фини, еднородни емулсии от типа „вода във восък“. – от лабораторни изпитания до мащаба на непрекъснатото производство.

Подобряване на производството на парафинови свещи чрез ултразвукова емулгиране

Парафиновият восък остава една от най-широко използваните суровини в производството на свещи. Въпреки това колебанията в цените на восъка, нарастващият натиск върху маржовете и необходимостта от по-ефективно от гледна точка на ресурсите производство предизвикаха силен интерес към технологии, които намаляват употребата на парафин, без да се компрометира надеждността на процеса. Ултразвуковото емулгиране позволява смесването на вода в разтопения парафинов восък, като по този начин се създават стабилни восъчни емулсии.
Чрез използване на ултразвук с висока мощност фино диспергирани водни капчици могат да бъдат вградени във восъчната фаза, като по този начин се получава стабилна емулсия от типа „вода в парафин“. Когато до 10% вода се емулгира в парафиновия восък, производителите могат да намалят количеството парафин, необходимо за всяка свещ, което води до пряка икономия на суровини. За производителите с големи обеми дори малко процентно намаление на консумацията на восък може да доведе до значителни годишни икономии на разходи.

Защо ултразвуковата емулгиране е идеално за парафинов восък

Водата и парафиновият восък по природа са несмесими. При традиционните методи на смесване често възникват затруднения при финото и равномерно разпръскване на водата в разтопения восък, особено когато се изискват капки с еднакъв размер, възпроизводимост на процеса и промишлена производителност. Ултразвуковото емулгиране решава този проблем чрез акустична кавитация.
По време на ултразвуковата обработка ултразвукът с висока интензивност генерира микроскопични кавитационни мехурчета в течната среда. Когато те се срутват, се получават локализирани сили с висока степен на срязване, турбулентност и интензивна енергия на смесване. Hielscher описва ултразвуковите емулгатори като устройства, които използват акустична кавитация, за да разбиват несмесими течности на много малки капчици и да ги разпределят равномерно.
При преработката на свещен восък това означава, че водата може да се разпръсне в разтопения парафин много по-ефективно, отколкото при много смесители от типа „ротор-статор“ или миксери с ниско срязване. Получената емулсия може да предложи:

• Равномерно разпределение на фини капчици вода във фазата на разтопения восък
• Подобрена хомогенност в състава на свещите
• Намаляване на използването на парафин чрез заместване на част от обема на восъка с вода
• По-добре възпроизводими партиди благодарение на контролируемите параметри на ултразвука
• Ефективна вградена обработка за линии за непрекъснато производство на свещи

Икономия на парафин чрез емулгиране с до 10 % вода

Икономическият фактор е ясен: парафиновият восък е скъп суровина, докато водата е евтина и лесно достъпна. Чрез ултразвуково вграждане на до 10 % вода в восъчната матрица производителите на свещи могат да намалят потреблението на парафин на единица продукция.
Например, при производствен сценарий, в който се използва 1 000 кг състав за свещи, замяната на 10 % от парафиновата фаза с емулгирана вода може да намали потреблението на парафин с до 100 кг, в зависимост от състава на сместа и спецификациите на крайния продукт. В промишлен мащаб това може да доведе до значителни икономии при закупуването, съхранението и логистиката на суровините.
Ключът не е просто в добавянето на вода, а в нейното правилно емулгиране. Лошо диспергираната вода може да се отдели, да доведе до дефекти или да затрудни процеса на преработка. Ултразвуковото емулгиране създава фината структура на капките, необходима за стабилно вграждане във фазата на разтопения восък. Hielscher специално подчертава соникаторите от тип сонда, комбинирани с ултразвукови поточни клетки, като ефективен подход за емулгиране на парафинов восък, подобряващ ефективността, еднородността, мащабируемостта и постоянното качество.

Ултразвуковата обработка намалява размера на капките парафинов восък до 160 nm, като осигурява дългосрочна стабилност

Научното изследване на Jadhav и др. (2015) показва, че емулгирането с помощта на ултразвук е ефективен метод за получаване на стабилни наноемулсии от типа „парафинов восък във вода“, като преодолява нестабилността, характерна за конвенционалните методи за инверсия на емулсии. При приготвянето на емулсия със съотношение вода към парафин 80:20 те оптимизираха ключовите променливи на процеса – концентрацията на повърхностноактивното вещество, приложената ултразвукова мощност и времето на обработка с ултразвук. При оптимизирани технологични условия изследователите постигнаха капчици от парафинов восък с размер около 160,9 nm, като използваха 10 mg/mL SDS, 40 % приложена мощност, съответстваща на 0,61 W/mL, и 15 минути обработка с ултразвук. Изследването показва, че акустичната кавитация физически разбива разтопения парафин на капчици с наноразмери, докато SDS бързо стабилизира новообразуваната граница на фазите; DSC и FTIR потвърдиха, че парафиновият восък не е претърпял химични промени по време на ултразвуковата обработка. Получените капчици бяха твърди, сферични, отрицателно заредени поради адсорбцията на SDS и стабилни за повече от три месеца, докато емулсиите, приготвени чрез метода на точката на инверсия на емулсията, се разслояваха или се разделяха в рамките на 30 минути. Като цяло, напредъкът се състои в доказването, че ултразвуковата обработка може да доведе до получаването на фини, стабилни, нискоенергийни наноемулсии от парафинов восък с контролиран размер на капките, висока физическа стабилност и ясен потенциал за мащабируеми формулировки на восъчна основа.
 

Снимки от сканиращ електронен микроскоп (SEM) на парафинова емулсия, подготвена с ултразвук, при (а) 5000, (б) 20 000
Изследване и изображение: ©Jadhav и др. (2015)

Устройства за ултразвукова обработка Hielscher за емулсии от типа „вода във восък“

Hielscher Ultrasonics произвежда ултразвукови апарати със сонда за лабораторна, пилотна и промишлена обработка на течности. Ултразвуковите системи на компанията се използват за приложения като емулгиране, хомогенизиране, диспергиране, намаляване на размера на частиците, екстракция и химическа обработка.
При производството на свещи основното предимство е контролът върху процеса. Устройствата за ултразвукова обработка на Hielscher позволяват на операторите да определят и възпроизвеждат ключови параметри на ултразвуковата обработка, включително амплитуда, вложена енергия, температура, налягане, дебит и време на престой. Това е особено важно при разтопения парафинов восък, където вискозитетът и температурата оказват силно влияние върху качеството на емулгирането.

Наноемулсия, получена чрез ултразвук

Типичните варианти за реализация включват:

1. Ултразвукова обработка на партиди за разработване на формули, малки производствени партиди или специални свещи
2. Вградена ултразвукова обработка с проточни клетки за непрекъсната преработка на восък
3. Реактори, в които може да се създава налягане, за повишена интензивност на кавитацията и контролирана обработка
4. Системи, монтирани на платформи, за интегриране в съществуващи промишлени линии за производство на свещи

Промишленото портфолио на Hielscher включва ултразвукови процесори с висока мощност, като например UIP4000hdT, който осигурява до 4 kW ултразвукова мощност за изискващи промишлени задачи по обработка на течности, включително хомогенизация, емулгиране, диспергиране и фино смилане на частици. За по-големи производствени мощности Hielscher предлага системи като UIP16000 – промишлен ултразвуков процесор с мощност 16 kW, предназначен за обработка на големи обеми в производствена линия и интегриране в производствени среди.
Паралелното свързване на няколко ултразвукови апарата в група осигурява резервираност и постепенно увеличаване на капацитета в отговор на нарастващото търсене и разширяването на бизнеса.

Значение за производството на свещи

Производството на свещи е подложено на силен натиск по отношение на разходите, особено при масовото производство на чаени свещи, стълбови свещи, вотивни свещи, свещи в съдове и декоративни свещи. Колебанията в цените на парафиновия восък оказват пряко влияние върху рентабилността. Ултразвуковото емулгиране на вода във восък предоставя на производителите практичен начин за намаляване на консумацията на восък, като същевременно се запазва мащабируем и контролируем производствен процес.

Значението за промишлеността е особено голямо в случаите, когато производителите се нуждаят от:

• Масово производство с постоянно качество на восъка
• По-нисък разход на парафин на свещ
• Непрекъсната обработка в производствената линия вместо смесване само на партиди
• Надежден пренос на процеси от R&D към производството
• Прецизен контрол върху качеството на емулсията
• Интегриране в съществуващи линии за топене, дозиране и леене

Технологията е привлекателна и за производителите, които разработват нови, оптимизирани по отношение на разходите формули за свещи. Чрез регулиране на водното съдържание, системата от емулгатори, температурата на восъка и подаваната ултразвукова енергия производителите могат да адаптират формулата към желаната от тях геометрия на свещта, характеристиките на горенето, повърхностната обработка и метода на производство.
Както при всяка промяна в състава на свещите, производителите трябва да проверят характеристиките на горенето, външния вид, стабилността, безопасността, съвместимостта на аромата и поведението при съхранение при собствените си производствени условия. Ултразвуковата емулгиране обаче осигурява необходимата интензивност на обработката и възпроизводимост, за да направи разработването на такива състави технически осъществимо в промишлен мащаб.

Ултразвуковата обработка като конкурентно предимство при производството на восъчни емулсии

За производителите на свещи ултразвуковото емулгиране е нещо повече от просто метод за смесване. Това е технология за интензифициране на производствения процес, която може да намали разходите за суровини, да подобри гъвкавостта на рецептурите и да подпомогне мащабируемото производство.
Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани именно за този вид сложни задачи по обработка на течности. От лабораторни опити с разтопен парафин до непрекъсната емулгиране в производствената линия при промишленото производство, ултразвуковите системи на Hielscher осигуряват необходимата мощност, контрол и мащабируемост за емулсии от типа „вода в парафин“ за свещен восък.
Чрез добавянето на до 10 % вода към парафиновия восък с помощта на ултразвукова кавитация производителите на свещи могат да намалят зависимостта си от скъпия парафин, като същевременно поддържат контролирана и хомогенна формула на восъка. За промишленото производство на свещи това създава ясно икономическо и оперативно предимство: по-ниски разходи за суровини, възпроизводимо качество и пряк път от лабораторната рецептура към производството в промишлен мащаб.

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

Ултразвукови восъчни емулсии: Линейно мащабиране от лабораторни условия към промишлено производство

Едно от основните предимства на ултразвуковата технология на Hielscher е линейното мащабиране. Производителите на свещи могат да започнат с мащабни тестове за осъществимост, да оптимизират формулата „вода в парафин“ и след това да пренесат параметрите на процеса към по-големи системи.
За разлика от много конвенционални технологии за смесване, при които мащабирането може да изисква значителни промени в проекта и несигурни настройки, ултразвуковото мащабиране се основава на възпроизводими технологични параметри. След като са известни необходимите стойности на специфичния енергиен приток, амплитудата, температурата, налягането и времето на престой (скоростта на потока), процесът може да бъде мащабиран чрез увеличаване на ултразвуковата мощност и производителността или чрез паралелна работа на няколко ултразвукови устройства.
Този подход е особено ценен за производителите на свещи, тъй като намалява риска при разработването. Формула, разработена на лабораторен или настолен ултразвуков хомогенизатор, може да бъде валидирана на пилотно оборудване и след това прехвърлена към пълномащабно промишлено производство. Хиелшер отбелязва, че настолните хомогенизатори могат да се използват за приложно изследване, мащабиране, пилотни проучвания, оптимизация на процесите и обработка на по-малки партиди, докато ултразвуковите сонди с висока мощност от 4 до 16 kW са подходящи за обработка на големи обеми в линия или на партиди.
При големите производствени съоръжения групирането на няколко ултразвукови процесора позволява постигането на много висока производителност, като същевременно се поддържат еднакви условия на кавитация във всеки реактор. Тази модулна концепция осигурява надеждно разширяване на капацитета, без да се нарушава еднородността на продукта.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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

Литература / Препратки