Sterilizacija i dispergiranje premaza na bazi vode bez biocida

Premazi na bazi vode široko se koriste jer omogućuju formulacije s niskim sadržajem VOC-a, sigurnije rukovanje i održiviju proizvodnju. Istovremeno, zbog sadržaja vode vrlo su podložni mikrobnoj kontaminaciji. Bakterije, kvasci i plijesni mogu dospjeti u proizvod putem sirovina, spremnika, cjevovoda, sustava za punjenje ili izlaganjem okolini tijekom proizvodnje i skladištenja. Nakon što dođe do kontaminacije, mikroorganizmi se mogu brzo razmnožavati i ugroziti kvalitetu proizvoda i njegov rok trajanja.
Zbog toga je mikrobna stabilnost ključni faktor kvalitete u bojama, premazima, tintama i disperzijama pigmenata na bazi vode.

Ultrazvučna obrada kombinira dispergiranje pigmenata i kontrolu mikroba u jednom industrijskom procesu

Proizvođači se tradicionalno oslanjaju na konzervanse i biocide za konzerviranje u ambalaži kako bi spriječili kvarenje. Međutim, sve veći regulatorni pritisak i rastuća potražnja za čišćim formulacijama potiču potragu za alternativama. Ultrazvučna obrada (sonikacija) visokog intenziteta nudi vrlo učinkovito rješenje jer omogućuje istovremeno dispergiranje i sterilizaciju u jednom koraku procesa.
Za proizvođače premaza to znači da ultrazvučna obrada nije samo tehnologija dispergiranja. Ona je i snažan procesni alat za poboljšanje mikrobiološke stabilnosti, uz istovremenu podršku strategijama formulacije s malo biocida ili bez biocida.

Zašto je mikrobna stabilnost industrijski ključna u bojama na bazi vode

Mikrobna kontaminacija izravno utječe na kvalitetu proizvoda i pouzdanost procesa: mikrobna stabilnost boja od velike je industrijske važnosti jer rast mikroba može izazvati niz nedostataka proizvoda i problema u proizvodnji. Formulacije na bazi vode često sadrže organske sastojke kao što su veziva, dispergatori, sredstva za vlaženje, zgušnjivači i sredstva protiv pjenjenja. Ove komponente mogu stvoriti povoljno okruženje za rast mikroba ako se kontaminacija unese tijekom prerade ili skladištenja.

U industrijskoj praksi nedovoljna kontrola mikroba može dovesti do:

• promjena viskoznosti i pH vrijednosti
• stvaranja plinova i bubrenja spremnika
• neugodnog mirisa i promjene boje
• smanjene stabilnosti pri skladištenju
• nedostataka filma i nedosljednog ponašanja pri nanošenju
• kod uronskih kupki – povećane učestalosti čišćenja i zastoja povezanih s kontaminacijom

Mikrobno kvarenje ne šteti samo proizvodu. Ono također može stvoriti ponavljajuće probleme s higijenom u spremnicima, cijevima i recirkulacijskim petljama, što dovodi do gubitaka u proizvodnji, dorade, reklamacija kupaca i troškova zbrinjavanja. Zbog toga mikrobna stabilnost nije sekundarno svojstvo. To je temeljni zahtjev za komercijalno uspješne premaze na bazi vode.

Kako ultrazvučna obrada djeluje u premazima na bazi vode

Akustična kavitacija stvara intenzivno smicanje i time razgradnju mikroba: ultrazvuk velike snage djeluje putem akustične kavitacije. Kada ultrazvučni valovi prolaze kroz tekućinu, nastaju mikroskopski mjehurići koji rastu i implodiraju. Ti kavitacijski događaji stvaraju visoko lokalizirane smične sile, turbulenciju, promjene tlaka i mikromlazove.
U premazima na bazi vode ti su kavitacijski učinci vrijedni jer istodobno djeluju i na čestice i na mikroorganizme. Aglomerati pigmenata učinkovito se razbijaju u finije čestice, dok se mikrobne stanice mehanički oštećuju i inaktiviraju. Zbog toga je ultrazvučna obrada posebno privlačna za formulacije u kojima su ključni i kvaliteta dispergiranja i mikrobna stabilnost.

Jedan korak procesa pruža dvije ključne funkcije

Umjesto da se dispergiranje pigmenata i kontrola mikroba tretiraju kao zasebni zadaci, ultrazvučna obrada ih objedinjuje u jednoj operaciji. Ovaj dvostruki učinak nudi jasnu industrijsku prednost.

Ista ultrazvučna energija koja deaglomerira nakupine pigmenata i ravnomjerno dispergira čestice može također smanjiti broj održivih mikroba u premazu. Kao rezultat, ultrazvučna obrada omogućuje:

• finije i ujednačenije dispergiranje pigmenata
• poboljšanu jakost boje i optičku dosljednost
• smanjenu mikrobnu kontaminaciju tijekom prerade
• poboljšanu stabilnost proizvoda na bazi vode pri skladištenju
• manju ovisnost o konzervansima i biocidima za konzerviranje u ambalaži

Zbog toga je ultrazvučna obrada vrlo relevantna za razvoj održivijih premaznih sustava s čišćim popisom sastojaka.

Ultrazvučno dispergirani silicijev dioksid: crvena krivulja – netretirano; zelena krivulja: nakon ultrazvučnog dispergiranja

Prednosti istovremenog dispergiranja i sterilizacije pigmenata u bojama

1. Bolja kvaliteta dispergiranja poboljšava performanse premaza
   Pigmenti i punila često tvore aglomerate koje je teško razbiti nedovoljnom mehaničkom energijom. Ultrazvučna obrada pruža intenzivno i ciljano smicanje, zbog čega je vrlo učinkovita za deaglomeraciju i smanjenje veličine čestica. Finija disperzija može poboljšati nekoliko performansnih karakteristika konačnog premaza, uključujući razvoj boje, pokrivnost, sjaj i dugoročnu stabilnost.
2. Istovremena sterilizacija podržava smanjenje biocida
   Istodobno, ultrazvučna kavitacija može oštetiti mikrobne stanice prisutne u tekućoj fazi. To smanjuje kontaminaciju u toku proizvoda i pomaže poboljšati mikrobnu stabilnost bez isključivog oslanjanja na kemijsko konzerviranje. Za proizvođače koji teže sustavima s malo biocida ili bez biocida to je značajna procesna prednost.
3. Intenzifikacija procesa smanjuje složenost
   Kombiniranje dvaju ključnih procesnih ciljeva u jednom inline koraku pojednostavljuje proizvodnju. Umjesto dodavanja zasebnih faza obrade za dispergiranje i kontrolu mikroba, proizvođači premaza mogu oboje integrirati u jedan kontrolirani proces ultrazvučne obrade. To smanjuje rukovanje, podržava čišću proizvodnju i poboljšava ponovljivost.

Zašto obrada bez biocida dobiva na važnosti

Regulatorni, ekološki i tržišni zahtjevi mijenjaju strategije formulacije
Prelazak na premaze s malo biocida i bez biocida potaknut je nekoliko industrijskih čimbenika. Regulatorni okviri postaju stroži, ekološka očekivanja rastu, a kupci traže sigurnije, održivije proizvode s manje zabrinjavajućih tvari.
U tom kontekstu fizikalne procesne tehnologije dobivaju stratešku važnost. Ultrazvučna obrada posebno je privlačna jer ne zamjenjuje samo jedan aditiv drugim. Ona uvodi nekemijski princip obrade koji poboljšava i dispergiranje i mikrobnu stabilnost putem mehaničke energije.

Za formulatore i voditelje proizvodnje to nudi nekoliko prednosti:

• podršku održivijim konceptima proizvoda
• smanjenu ovisnost o konvencionalnim konzervansima
• poboljšanu higijenu procesa
• jači položaj za premaze na bazi vode sljedeće generacije

Zašto su Hielscher sonikatori najbolje rješenje za industrijsku proizvodnju premaza

Precizna kontrola za ponovljive uvjete obrade

Hielscher sonikatori dizajnirani su za industrijsku kontrolu procesa. U proizvodnji premaza precizna kontrola parametara ultrazvučne obrade ključna je jer ponašanje formulacije ovisi o vrsti pigmenta, sadržaju čvrstih tvari, viskoznosti, temperaturi, protoku i intenzitetu obrade.

Hielscher sustavi omogućuju točno podešavanje važnih procesnih parametara kao što su:

• amplituda
• tlak
• protok / vrijeme zadržavanja
• temperatura
• unos energije

Ta preciznost omogućuje proizvođačima da optimiziraju dispergiranje pigmenata, poboljšaju kvalitetu formulacije i postignu ponovljivo smanjenje broja mikroba.

SEM snimke vegetativnih stanica B. subtilis prije (a) i nakon ozračivanja ultrazvukom tijekom 30 min (b), (c).
Studija i slika: © Hashimoto et al., 2020

Protočne ćelije pod tlakom za intenziviranu ultrazvučnu obradu

Povišeni tlak povećava intenzitet kavitacije
Ključna prednost Hielscher tehnologije je upotreba reaktora s protočnim ćelijama pod tlakom. Tlak snažno utječe na ponašanje kavitacije. Pod povišenim tlakom kavitacija postaje intenzivnija i učinkovitija, što je posebno vrijedno za zahtjevne disperzije i kontinuiranu mikrobnu inaktivaciju.

Protočne ćelije pod tlakom omogućuju:

• intenziviranu ultrazvučnu obradu
• učinkovitiju deaglomeraciju
• poboljšanu učinkovitost procesa

Za industrijska postrojenja za premaze to znači da se ultrazvučna obrada može podesiti ne samo za izvedivost u laboratorijskom mjerilu, već i za stvarni proizvodni protok i zahtjeve proizvoda.

Inline obrada za kontinuiranu proizvodnju

Ultrazvučna obrada može se integrirati izravno u proizvodnu liniju
Hielscher sonikatori vrlo su prikladni za inline obradu. To omogućuje da se premazi na bazi vode kontinuirano obrađuju dok prolaze kroz proizvodni sustav. Inline ultrazvučna obrada dobro se uklapa u industrijsku proizvodnju jer izbjegava nepotrebno šaržno rukovanje i može se integrirati u prijenosne petlje, recirkulacijske sustave ili namjenske procesne linije.

Inline obrada nudi jasne operativne prednosti:

• kontinuiranu obradu u definiranim uvjetima
• jednostavnu integraciju u postojeća postrojenja
• smanjeno ručno rukovanje
• poboljšanu učinkovitost i dosljednost procesa

Za proizvođače premaza to ultrazvučnu obradu čini praktičnom proizvodnom tehnologijom.

TiO2 osušen raspršivanjem prije i nakon ultrazvučnog mljevenja

Linearna skalabilnost od laboratorija do industrijske proizvodnje

Procesni parametri mogu se pouzdano prenositi između mjerila
Povećanje mjerila ključno je pitanje u razvoju procesa. Hielscher ultrazvučni sustavi dizajnirani su za linearnu skalabilnost, što znači da se procesni uvjeti utvrđeni u laboratorijskom ili pilot mjerilu mogu sustavno prenijeti na industrijsku proizvodnju.
Ovo je posebno važno za tvrtke koje razvijaju inovativne premaze s malo biocida jer smanjuje rizik pri implementaciji i pomaže ubrzati komercijalizaciju.

Prednosti linearne skalabilnosti uključuju:

• lakši razvoj procesa
• pouzdan prijenos iz istraživanja i razvoja u proizvodnju
• predvidljive performanse pri većem protoku
• manju nesigurnost pri povećanju mjerila

Jednostavno čišćenje i higijenski dizajn procesa

Mogućnost čišćenja važna je kada je cilj mikrobna stabilnost
Ako je kontrola mikroba ključni cilj procesa, higijena opreme postaje još važnija. Hielscher sonikatori dizajnirani su za praktično industrijsko čišćenje i jednostavnu integraciju u higijenska procesna okruženja.

Jednostavno čišćenje pomaže proizvođačima da:

• smanje rizike od kontaminacije u opremi
• zaustave rast mikroba
• skrate napore oko čišćenja i održavanja
• poboljšaju pouzdanost procesa tijekom ponovljenih proizvodnih ciklusa

U premazima na bazi vode, gdje kontaminacija može opstati u spremnicima, mrtvim zonama i prijenosnim sustavima, ultrazvučna oprema koja se lako čisti izravno doprinosi stabilnosti proizvoda i operativnoj robusnosti.

Ultrazvučno obrađena kredna boja na grindometru pokazuje savršeno ujednačenu deaglomeraciju i raspodjelu veličine čestica pigmenata

Ponovljivi rezultati za industrijsko osiguranje kvalitete

Dosljednost je ključna za proizvođače premaza
Industrijska proizvodnja boja zahtijeva visoko ponovljive rezultate procesa. Optička svojstva, reologija, rok trajanja i mikrobiološka stabilnost moraju ostati dosljedni od šarže do šarže i tijekom dugih proizvodnih razdoblja.

Hielscher sonikatori pružaju ponovljive ultrazvučne uvjete koji podržavaju:

• ujednačeno dispergiranje pigmenata
• stabilno smanjenje veličine čestica
• dosljednu mikrobnu obradu
• pouzdanu kvalitetu proizvoda kroz proizvodne serije

Ova ponovljivost ključna je za validaciju procesa, osiguranje kvalitete i industrijsko usvajanje ultrazvučne tehnologije.

Ultrazvučna obrada kao strateška tehnologija za moderne premaze na bazi vode

Industrija premaza kreće se prema formulacijama koje su održivije, sadrže manje opasnih aditiva i robusnije su u performansama. Ultrazvučna obrada iznimno se dobro uklapa u taj smjer jer istodobno rješava dva velika proizvodna izazova: potrebu za učinkovitim dispergiranjem pigmenata i potrebu za mikrobnom stabilnošću.
Kombiniranjem tih funkcija u jednom koraku procesa ultrazvučna obrada pomaže proizvođačima da pojednostave proizvodnju, poboljšaju kvalitetu premaza i smanje ovisnost o konvencionalnim sustavima konzerviranja. Zbog toga je ultrazvučna obrada vrlo privlačna za arhitektonske boje, industrijske premaze, funkcionalne disperzije, tinte i srodne sustave na bazi vode.
Hielscher sonikatori pružaju industrijsku platformu potrebnu za primjenu ove strategije u praksi. Njihova precizna kontrola, protočne ćelije pod tlakom, inline mogućnosti, linearna skalabilnost, jednostavno čišćenje i ponovljivi rezultati čine ih posebno prikladnima za proizvodnju boja i premaza.

Iskoristite prednosti ultrazvučnog dispergiranja i sterilizacije premaza

Sterilizacija i dispergiranje premaza na bazi vode bez biocida pomoću ultrazvučne obrade vrlo je obećavajući pristup modernoj proizvodnji boja. Ultrazvučna obrada poboljšava dispergiranje pigmenata, smanjuje mikrobno opterećenje i podržava veću stabilnost proizvoda u jednom integriranom procesu. Ova kombinacija posebno je vrijedna u industriji koja je pod sve većim pritiskom da smanji konzervanse uz zadržavanje visoke kvalitete proizvoda i učinkovitosti procesa.
Za proizvođače boja i premaza na bazi vode Hielscher sonikatori nude praktično i industrijski provjereno rješenje. Njihova kontrolabilnost procesa, inline integracija, intenzivirani dizajn protočne ćelije, skalabilnost, higijensko čišćenje i ponovljive performanse čine ih izvrsnim izborom za istovremeno dispergiranje i sterilizaciju pigmenata u bojama.

Tablica u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i posebnu pozornost posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su CE oznaci i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.