Емулсии вода в парафинов восък: икономически ефективно производство на свещи с ултразвук

Ултразвуковото емулгиране е мощна технология за обработка за производителите на свещи, които искат да намалят потреблението на парафин, да подобрят контрола върху състава и да увеличат ефективно производствения мащаб. Чрез диспергиране на до 10% вода в разтопен парафинов восък производителите на свещи могат да намалят разходите за суровини, като същевременно поддържат хомогенна восъчна фаза, подходяща за промишлено производство на свещи. Ултразвуковите устройства със сонда на Hielscher осигуряват високоинтензивната кавитация, необходима за създаване на фини, еднородни емулсии вода във восък – от лабораторни изпитвания до непрекъснато производство.

Подобрете производството на парафинови свещи чрез ултразвуково емулгиране

Парафиновият восък остава една от най-широко използваните суровини в производството на свещи. Колебанията в цените на восъка, нарастващият натиск върху маржовете на печалба и необходимостта от по-ефективно използване на ресурсите в производството обаче породиха силен интерес към технологии, които намаляват използването на парафин, без да компрометират надеждността на процеса. Ултразвуковото емулгиране позволява смесване на вода с разтопен парафинов восък за създаване на стабилни восъчни емулсии.
С помощта на ултразвук с висока мощност във восъчната фаза могат да се включат фино диспергирани водни капчици, като се получава стабилна емулсия вода в парафин. Когато в парафиновия восък се емулгира до 10% вода, производителите могат да намалят количеството парафин, необходимо за всяка свещ, което води до пряко спестяване на материал. За производителите с големи производствени обеми дори малко процентно намаление на потреблението на восък може да доведе до значителни годишни икономии.

Защо ултразвуковото емулгиране е идеално за парафинов восък

Водата и парафиновият восък са естествено несмесващи се. Конвенционалните методи за смесване често срещат трудности при финото и равномерно диспергиране на вода в разтопен восък, особено когато се изискват постоянен размер на капчиците, възпроизводимост на процеса и промишлена производителност. Ултразвуковото емулгиране решава този проблем чрез акустична кавитация.
По време на ултразвуковата обработка високоинтензивният ултразвук генерира микроскопични кавитационни мехурчета в течната среда. Техният колапс създава локализирани високи сили на срязване, турбулентност и интензивна енергия за смесване. Hielscher описва ултразвуковите емулгатори като устройства, които използват акустична кавитация, за да раздробят несмесващи се течности на много малки капчици и да ги разпределят равномерно.
При обработката на восък за свещи това означава, че водата може да бъде диспергирана в разтопен парафин много по-ефективно, отколкото с много роторно-статорни смесители или бъркалки с ниско срязване. Получената емулсия може да осигури:

• Фино разпределение на водните капчици в разтопената восъчна фаза
• Подобрена хомогенност на целия състав за свещи
• Намалено използване на парафин чрез замяна на част от обема на восъка с вода
• По-добра възпроизводимост на партидите благодарение на контролируемите ултразвукови параметри
• Ефективна обработка в поточна линия за непрекъснати линии за производство на свещи

Спестяване на парафин чрез емулгиране на до 10% вода

Икономическият мотив е ясен: парафиновият восък е основен материал с висока себестойност, докато водата е евтина и леснодостъпна. Чрез ултразвуково включване на до 10% вода във восъчната матрица производителите на свещи могат да намалят потреблението на парафин за единица продукт.
Например при производствен сценарий, използващ 1 000 kg восъчен състав за свещи, замяната на 10% от парафиновата фаза с емулгирана вода може да намали необходимото количество парафин с до 100 kg в зависимост от разработения състав и спецификациите на крайния продукт. В промишлен мащаб това може да представлява значителни икономии при закупуването, съхранението и логистиката на суровините.
Ключът е не просто в добавянето на вода, а в правилното ѝ емулгиране. Лошо диспергираната вода може да се отдели, да причини дефекти или да компрометира обработката. Ултразвуковото емулгиране създава структурата от фини капчици, необходима за стабилното включване в разтопената восъчна фаза. Hielscher изрично посочва ултразвуковите устройства със сонда, комбинирани с ултразвукови проточни клетки, като ефективен подход за емулгиране на парафинов восък, който подобрява ефективността, еднородността, възможността за увеличаване на мащаба и постоянството на качеството.

Ултразвуковата обработка намалява капчиците парафинов восък до 160nm с дълготрайна стабилност

Научното изследване на Jadhav et al. (2015) показва, че емулгирането с помощта на ултразвук е ефективен подход за получаване на стабилни наноемулсии парафинов восък във вода, като преодолява нестабилността, характерна за конвенционалните методи на инверсия на емулсията. При приготвянето на емулсия със съотношение вода към парафин 80:20 те оптимизират ключови променливи на процеса – концентрацията на повърхностноактивното вещество, приложената ултразвукова мощност и времето на ултразвукова обработка. При оптимизирани условия на процеса изследователите постигат капчици парафинов восък с размер около 160,9 nm, като използват 10 mg/mL SDS, 40% приложена мощност, съответстваща на 0,61 W/mL, и 15 минути ултразвукова обработка. Изследването показва, че акустичната кавитация физически раздробява разтопения парафин на капчици с наномащабни размери, докато SDS бързо стабилизира новообразуваната междуфазна граница; DSC и FTIR потвърждават, че парафиновият восък не е химически променен по време на ултразвуковата обработка. Получените капчици са твърди, сферични, отрицателно заредени вследствие на адсорбцията на SDS и стабилни в продължение на повече от три месеца, докато емулсиите, приготвени по метода на точката на инверсия на емулсията, образуват кремообразен слой или се разделят на фази в рамките на 30 минути. Като цяло постижението се състои в доказването, че ултразвуковата обработка може да произвежда фини, стабилни, нискоенергийни наноемулсии на парафинов восък с контролиран размер на капчиците, висока физическа стабилност и ясен потенциал за восъчни състави, чието производство може да се мащабира.
 

SEM изображения на емулсия на парафинов восък, приготвена чрез ултразвук, при (a) 5000 , (b) 20 000
Изследване и изображение: ©Jadhav et al. (2015)

Ултразвукови устройства на Hielscher за емулсии вода във восък

Hielscher Ultrasonics произвежда ултразвукови устройства със сонда за лабораторна, пилотна и промишлена обработка на течности. Неговите ултразвукови системи 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 на процеса. Ултразвуковите устройства 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 за разтопения парафинов восък, при който вискозитетът и температурата оказват силно влияние върху качеството на емулгиране.

Наноемулсия, произведена чрез ултразвук

Типичните варианти за внедряване включват:

1. Партидна ултразвукова обработка за разработване на състави, малки производствени партиди или специализирани свещи
2. Ултразвукова обработка в поточна линия с проточни клетки за непрекъсната обработка на восък
3. Реактори, които могат да работят под налягане, за повишена интензивност на кавитацията и контролирана обработка
4. Системи, монтирани върху носеща рама, за интегриране в съществуващи промишлени линии за свещи

Промишленото портфолио на Hielscher включва ултразвукови процесори с висока мощност като UIP4000hdT, който осигурява до 4 kW ултразвукова мощност за взискателни задачи по промишлена обработка на течности, включително хомогенизиране, емулгиране, диспергиране и фино смилане на частици. За по-големи производствени капацитети Hielscher предлага системи като UIP16000, промишлен ултразвуков процесор с мощност 16 kW, предназначен за обработка на големи обеми в поточна линия и интегриране в производствена среда.
Обединяването на няколко ултразвукови устройства в паралелно работеща група осигурява резервираност и поетапно увеличаване на мащаба при нарастващо търсене и разширяване на бизнеса.

Промишлено значение за производителите на свещи

Производството на свещи е под силен натиск за намаляване на разходите, особено при масовото производство на чаени свещи, цилиндрични свещи, оброчни свещи, свещи в съдове и декоративни свещи. Нестабилността на цените на парафиновия восък пряко влияе върху рентабилността. Ултразвуковото емулгиране на вода във восък дава на производителите практичен начин да намалят потреблението на восък, като същевременно поддържат производствен процес, който може да се мащабира и контролира.

Промишленото значение е особено голямо, когато производителите се нуждаят от:

• Производство на големи обеми с постоянно качество на восъка
• По-ниско потребление на парафин за всяка свещ
• Непрекъсната обработка в поточна линия вместо само партидно смесване
• Надеждно пренасяне на процеса от научноизследователската и развойната дейност към производството
• Прецизен контрол върху качеството на емулсията
• Интегриране в съществуващи линии за топене, дозиране и отливане

Технологията е привлекателна и за производители, които разработват нови състави за свещи с оптимизирани разходи. Чрез регулиране на водното съдържание, емулгаторната система, температурата на восъка и вложената ултразвукова енергия производителите могат да адаптират състава към желаната геометрия на свещта, характеристиките на горене, повърхностния финиш и производствения метод.
Както при всяка промяна в състава на свещите, производителите трябва да валидират характеристиките на горене, външния вид, стабилността, безопасността, съвместимостта с ароматите и поведението при съхранение при собствените си производствени условия. Ултразвуковото емулгиране обаче осигурява интензивността на обработка и възпроизводимостта, необходими, за да бъде разработването на такива състави технически осъществимо в промишлен мащаб.

Ултразвуковата обработка като конкурентно предимство при восъчните емулсии

За производителите на свещи ултразвуковото емулгиране е повече от метод за смесване. То е технология за интензифициране на процеса, която може да намали разходите за суровини, да подобри гъвкавостта при разработването на състави и да подпомогне мащабирането на производството.
Ултразвуковите устройства на Hielscher са проектирани именно за този тип взискателни задачи по обработка на течности. От лабораторни изпитвания с разтопен парафин до непрекъснато емулгиране в поточна линия в промишленото производство, ултразвуковите системи на Hielscher осигуряват мощността, контрола и възможността за увеличаване на мащаба, необходими за емулсии вода в парафинов восък за свещи.
Чрез включване на до 10% вода в парафиновия восък с помощта на ултразвукова кавитация производителите на свещи могат да намалят зависимостта си от скъпия парафин, като същевременно поддържат контролиран, хомогенен восъчен състав. За промишленото производство на свещи това създава ясно икономическо и оперативно предимство: по-ниски разходи за материали, възпроизводимо качество и пряк път от разработване на състава в лабораторен мащаб до пълномащабно производство.

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

Ултразвукови восъчни емулсии: линейно увеличаване на мащаба от лабораторията до промишленото производство

Едно от основните предимства на ултразвуковата технология на Hielscher е линейното увеличаване на мащаба. Производителите на свещи могат да започнат с изпитвания за осъществимост в малък мащаб, да оптимизират състава 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 увеличаването на мащаба може да изисква значително препроектиране и корекции с несигурен резултат, увеличаването на мащаба при ултразвуковата обработка се основава на възпроизводими параметри на процеса. След като са известни необходимата специфична вложена енергия, амплитудата, температурата, налягането и времето на престой (скоростта на потока), мащабът на процеса може да се увеличи чрез повишаване на ултразвуковата мощност и производителността или чрез паралелна работа на множество ултразвукови устройства.
Този подход е особено ценен за производителите на свещи, защото намалява риска при разработването. Състав, разработен с лабораторно или настолно ултразвуково устройство, може да бъде валидиран на пилотно оборудване и след това пренесен към пълномащабно промишлено производство. Hielscher отбелязва, че настолните хомогенизатори могат да се използват за изследване на приложения, работа по увеличаване на мащаба, пилотни проучвания, оптимизиране на процеси и обработка на по-малки партиди, докато за обработка на големи обеми в поточна линия или на партиди се предлагат ултразвукови сонди с висока мощност от 4 до 16 kW.
За големи производствени предприятия обединяването на множество ултразвукови процесори в група позволява много висока производителност, като същевременно се поддържат едни и същи кавитационни условия във всеки реактор. Тази модулна концепция подпомага надеждното разширяване на капацитета, без да се жертва постоянството на продукта.

Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия

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

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

Литература / Източници

• A.J. Jadhav, C.R. Holkar, S.E. Karekar, D.V. Pinjari, A.B. Pandit (2015): Ultrasound assisted manufacturing of paraffin wax nanoemulsions: Process optimization. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015. 201-207.
• Alina Lozhechnikova, Hervé Bellanger, Benjamin Michen, Ingo Burgert, Monika Osterberg (2016): Surfactant-free carnauba wax dispersion and its use for layer-by-layer assembled protective surface coatings on wood. Applied Surface Science 2016.
• Noonim, P.; Rajasekaran, B.; Venkatachalam, K. (2022): Structural Characterization and Peroxidation Stability of Palm Oil-Based Oleogel Made with Different Concentrations of Carnauba Wax and Processed with Ultrasonication. Gels 2022, 8, 763.