Biozidfreie Sterilisation und Dispergierung wasserbasierter Beschichtungen

Wasserbasierte Beschichtungen sind weit verbreitet, weil sie VOC-arme Formulierungen, eine sicherere Handhabung und eine nachhaltigere Produktion ermöglichen. Gleichzeitig macht ihr Wassergehalt sie besonders anfällig für mikrobielle Kontamination. Bakterien, Hefen und Schimmelpilze können während der Herstellung und Lagerung über Rohstoffe, Tanks, Rohrleitungen, Abfüllanlagen oder den Kontakt mit der Umgebung in das Produkt gelangen. Sobald eine Kontamination auftritt, können sich Mikroorganismen schnell vermehren und sowohl die Produktqualität als auch die Haltbarkeit beeinträchtigen.
Deshalb ist die mikrobielle Stabilität ein entscheidender Qualitätsfaktor bei wasserbasierten Farben, Beschichtungen, Druckfarben und Pigmentdispersionen.

Ultraschallbehandlung kombiniert Pigmentdispergierung und mikrobielle Kontrolle in einem industriellen Prozess

Traditionell setzen Hersteller auf Konservierungsmittel und Topfkonservierungsbiozide, um Verderb zu verhindern. Zunehmender regulatorischer Druck und die steigende Nachfrage nach Formulierungen mit weniger bedenklichen Inhaltsstoffen treiben jedoch die Suche nach Alternativen voran. Eine hochintensive Ultraschallbehandlung bietet eine äußerst wirksame Lösung, indem sie die gleichzeitige Dispergierung und Sterilisation in einem Prozessschritt ermöglicht.
Für Beschichtungshersteller bedeutet dies, dass die Ultraschallverarbeitung nicht nur eine Dispergiertechnologie ist. Sie ist auch ein leistungsfähiges Prozesswerkzeug zur Verbesserung der mikrobiologischen Stabilität und unterstützt zugleich Strategien für biozidarme oder biozidfreie Formulierungen.

Warum mikrobielle Stabilität bei wasserbasierten Farben industriell entscheidend ist

Mikrobielle Kontamination wirkt sich unmittelbar auf die Produktqualität und die Prozesszuverlässigkeit aus: Die mikrobielle Stabilität von Farben ist industriell von großer Bedeutung, weil mikrobielles Wachstum eine Reihe von Produktmängeln und Produktionsproblemen auslösen kann. Wasserbasierte Formulierungen enthalten häufig organische Bestandteile wie Bindemittel, Dispergiermittel, Netzmittel, Verdickungsmittel und Entschäumer. Diese Komponenten können ein günstiges Umfeld für mikrobielles Wachstum schaffen, wenn während der Verarbeitung oder Lagerung eine Kontamination eingetragen wird.

In der industriellen Praxis kann eine unzureichende mikrobielle Kontrolle zu folgenden Problemen führen:

• Viskositätsdrift und pH-Veränderungen
• Gasbildung und Aufblähen von Gebinden
• unangenehmer Geruch und Verfärbungen
• verringerte Lagerstabilität
• Filmdefekte und uneinheitliches Applikationsverhalten
• bei Tauchbädern – häufigere Reinigung und kontaminationsbedingte Stillstandszeiten

Mikrobieller Verderb schädigt nicht nur das Produkt. Er kann auch wiederkehrende Hygieneprobleme in Tanks, Rohrleitungen und Rezirkulationskreisläufen verursachen, die zu Produktionsverlusten, Nacharbeit, Kundenreklamationen und Entsorgungskosten führen. Aus diesem Grund ist die mikrobielle Stabilität keine nachrangige Eigenschaft. Sie ist eine zentrale Voraussetzung für wirtschaftlich erfolgreiche wasserbasierte Beschichtungen.

Wie Ultraschallbehandlung in wasserbasierten Beschichtungen wirkt

Akustische Kavitation erzeugt intensive Scherung und bewirkt dadurch den Aufschluss mikrobieller Zellen: Hochleistungsultraschall wirkt durch akustische Kavitation. Wenn Ultraschallwellen eine Flüssigkeit durchlaufen, bilden sich mikroskopisch kleine Blasen, die wachsen und implodieren. Diese Kavitationsereignisse erzeugen stark lokalisierte Scherkräfte, Turbulenzen, Druckänderungen und Mikrojets.
In wasserbasierten Beschichtungen sind diese Kavitationseffekte wertvoll, weil sie gleichzeitig auf Partikel und Mikroorganismen wirken. Pigmentagglomerate werden effizient in feinere Partikel aufgebrochen, während mikrobielle Zellen mechanisch geschädigt und inaktiviert werden. Dies macht die Ultraschallbehandlung besonders attraktiv für Formulierungen, bei denen sowohl die Dispergierqualität als auch die mikrobielle Stabilität entscheidend sind.

Ein Prozessschritt erfüllt zwei entscheidende Funktionen

Anstatt Pigmentdispergierung und mikrobielle Kontrolle als separate Aufgaben zu behandeln, kombiniert die Ultraschallbehandlung beide in einem einzigen Arbeitsgang. Diese doppelte Wirkung bietet einen klaren industriellen Vorteil.

Dieselbe Ultraschallenergie, die Pigmentagglomerate deagglomeriert und Partikel gleichmäßig dispergiert, kann auch die Belastung der Beschichtung mit lebensfähigen Mikroorganismen reduzieren. Dadurch unterstützt die Ultraschallbehandlung:

• eine feinere und gleichmäßigere Pigmentdispergierung
• eine verbesserte Farbstärke und gleichmäßigere optische Eigenschaften
• eine geringere mikrobielle Kontamination während der Verarbeitung
• eine verbesserte Lagerstabilität wasserbasierter Produkte
• eine geringere Abhängigkeit von Konservierungsmitteln und Topfkonservierungsbioziden

Dies macht die Ultraschallbehandlung für die Entwicklung nachhaltigerer Beschichtungssysteme mit weniger bedenklichen Inhaltsstoffen besonders relevant.
 

Mit Ultraschall dispergiertes Siliciumdioxid: rote Kurve – unbehandelt; grüne Kurve: nach der Ultraschalldispergierung

Vorteile der gleichzeitigen Dispergierung und Sterilisation von Farbpigmenten

1. Eine bessere Dispergierqualität verbessert die Leistungsfähigkeit der Beschichtung
   Pigmente und Füllstoffe bilden häufig Agglomerate, die bei unzureichender mechanischer Energie schwer aufzubrechen sind. Die Ultraschallbehandlung erzeugt intensive und gezielte Scherung und ist dadurch äußerst wirksam bei der Deagglomeration und Partikelgrößenreduzierung. Eine feinere Dispergierung kann mehrere Leistungsmerkmale der fertigen Beschichtung verbessern, darunter Farbentwicklung, Deckvermögen, Glanz und Langzeitstabilität.
2. Die gleichzeitige Sterilisation unterstützt die Biozidreduktion
   Gleichzeitig kann Ultraschallkavitation mikrobielle Zellen schädigen, die in der Flüssigphase vorhanden sind. Dies reduziert die Kontamination im Produktstrom und hilft, die mikrobielle Stabilität zu verbessern, ohne sich ausschließlich auf chemische Konservierung zu verlassen. Für Hersteller, die biozidarme oder biozidfreie Systeme anstreben, ist dies ein erheblicher Prozessvorteil.
3. Prozessintensivierung reduziert die Komplexität
   Die Kombination zweier zentraler Prozessziele in einem Inline-Schritt vereinfacht die Produktion. Anstatt separate Behandlungsstufen für Dispergierung und mikrobielle Kontrolle hinzuzufügen, können Beschichtungshersteller beide in einen kontrollierten Ultraschallprozess integrieren. Dies reduziert den Handhabungsaufwand, unterstützt eine sauberere Produktion und verbessert die Reproduzierbarkeit.

Warum biozidfreie Verarbeitung an Bedeutung gewinnt

Regulatorische Anforderungen, Umweltanforderungen und Marktanforderungen verändern die Formulierungsstrategien
Die Entwicklung hin zu biozidarmen und biozidfreien Beschichtungen wird durch mehrere industrielle Faktoren vorangetrieben. Die regulatorischen Rahmenbedingungen werden strenger, die Erwartungen an die Umweltverträglichkeit steigen, und Kunden verlangen sicherere, nachhaltigere Produkte mit weniger bedenklichen Stoffen.
In diesem Zusammenhang gewinnen physikalische Prozesstechnologien strategische Bedeutung. Die Ultraschallbehandlung ist besonders attraktiv, weil sie nicht lediglich einen Zusatzstoff durch einen anderen ersetzt. Sie führt ein nichtchemisches Behandlungsprinzip ein, das durch mechanische Energie sowohl die Dispergierung als auch die mikrobielle Stabilität verbessert.

Für Formulierungsentwickler und Produktionsleiter bietet dies mehrere Vorteile:

• Unterstützung nachhaltigerer Produktkonzepte
• geringere Abhängigkeit von herkömmlichen Konservierungsmitteln
• verbesserte Prozesshygiene
• stärkere Positionierung für wasserbasierte Beschichtungen der nächsten Generation

Warum Ultraschallgeräte von Hielscher die beste Lösung für die industrielle Beschichtungsproduktion sind

Präzise Steuerung für reproduzierbare Verarbeitungsbedingungen

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für die industrielle Prozesssteuerung ausgelegt. In der Beschichtungsproduktion ist die präzise Steuerung der Beschallungsparameter entscheidend, weil das Verhalten der Formulierung von Pigmenttyp, Feststoffgehalt, Viskosität, Temperatur, Volumenstrom und Behandlungsintensität abhängt.

Systeme von Hielscher ermöglichen die genaue Einstellung wichtiger Prozessparameter wie:

• Amplitude
• Druck
• Volumenstrom / Verweilzeit
• Temperatur
• Energieeintrag

Diese Präzision ermöglicht es Herstellern, die Pigmentdispergierung zu optimieren, dadurch die Formulierungsqualität zu verbessern und eine reproduzierbare Reduktion von Mikroorganismen zu erzielen.

REM-Aufnahmen vegetativer Zellen von B. subtilis vor (a) und nach einer Ultraschallbestrahlung für 30 min (b), (c).
Studie und Abbildung: © Hashimoto et al., 2020

Druckbeaufschlagbare Durchflusszellen für eine intensivierte Ultraschallbehandlung

Erhöhter Druck steigert die Kavitationsintensität
Ein wesentlicher Vorteil der Technologie von Hielscher ist der Einsatz druckbeaufschlagbarer Durchflusszellenreaktoren. Der Druck hat einen starken Einfluss auf das Kavitationsverhalten. Unter erhöhtem Druck wird die Kavitation intensiver und wirksamer, was besonders für anspruchsvolle Dispergieraufgaben und die kontinuierliche mikrobielle Inaktivierung wertvoll ist.

Druckbeaufschlagbare Durchflusszellen unterstützen:

• eine intensivierte Ultraschallbehandlung
• eine wirksamere Deagglomeration
• eine verbesserte Prozesseffizienz

Für industrielle Beschichtungsanlagen bedeutet dies, dass die Ultraschallbehandlung nicht nur auf die Machbarkeit im Labormaßstab, sondern auch auf den tatsächlichen Produktionsdurchsatz und die Produktanforderungen abgestimmt werden kann.

Inline-Verarbeitung für die kontinuierliche Herstellung

Die Ultraschallbehandlung lässt sich direkt in die Produktionslinie integrieren
Ultraschallgeräte von Hielscher eignen sich hervorragend für die Inline-Verarbeitung. Dadurch können wasserbasierte Beschichtungen kontinuierlich behandelt werden, während sie die Produktionsanlage durchlaufen. Die Inline-Ultraschallbehandlung passt gut zur industriellen Fertigung, weil sie unnötige Chargenhandhabung vermeidet und in Transferkreisläufe, Rezirkulationssysteme oder speziell dafür vorgesehene Prozesslinien integriert werden kann.

Die Inline-Verarbeitung bietet klare betriebliche Vorteile:

• kontinuierliche Behandlung unter definierten Bedingungen
• einfache Integration in bestehende Anlagen
• geringerer manueller Handhabungsaufwand
• verbesserte Prozesseffizienz und Prozesskonstanz

Für Beschichtungshersteller wird die Ultraschallbehandlung dadurch zu einer praxisgerechten Produktionstechnologie.

Sprühgetrocknetes TiO2 vor und nach der Ultraschallvermahlung

Lineare Skalierbarkeit vom Labor bis zur industriellen Produktion

Prozessparameter lassen sich zuverlässig zwischen verschiedenen Maßstäben übertragen
Die Maßstabsvergrößerung ist ein entscheidendes Thema in der Prozessentwicklung. Ultraschallsysteme von Hielscher sind für lineare Skalierbarkeit ausgelegt. Das bedeutet, dass im Labor- oder Pilotmaßstab etablierte Prozessbedingungen systematisch auf die industrielle Produktion übertragen werden können.
Dies ist besonders wichtig für Unternehmen, die innovative biozidarme Beschichtungen entwickeln, weil es das Risiko bei der Umsetzung reduziert und hilft, die Markteinführung zu beschleunigen.

Zu den Vorteilen der linearen Skalierbarkeit gehören:

• einfachere Prozessentwicklung
• zuverlässige Übertragung von Forschung und Entwicklung in die Produktion
• vorhersehbare Leistungsfähigkeit bei höherem Durchsatz
• geringere Unsicherheit bei der Maßstabsvergrößerung

Einfache Reinigung und hygienische Prozessgestaltung

Reinigbarkeit ist wichtig, wenn mikrobielle Stabilität das Ziel ist
Wenn die mikrobielle Kontrolle ein zentrales Prozessziel ist, gewinnt die Anlagenhygiene noch mehr an Bedeutung. Ultraschallgeräte von Hielscher sind für eine praxisgerechte industrielle Reinigung und eine unkomplizierte Integration in hygienische Prozessumgebungen ausgelegt.

Eine einfache Reinigung hilft Herstellern dabei:

• Kontaminationsrisiken in Anlagen zu reduzieren
• mikrobielles Wachstum zu stoppen
• den Zeitaufwand für Reinigung und Wartung zu verringern
• die Prozesszuverlässigkeit über wiederholte Produktionszyklen hinweg zu verbessern

Bei wasserbasierten Beschichtungen, bei denen Kontaminationen in Tanks, Totzonen und Transfersystemen bestehen bleiben können, tragen leicht zu reinigende Ultraschallanlagen unmittelbar zur Produktstabilität und betrieblichen Robustheit bei.

Ultraschallbehandelte Kreidefarbe auf dem Grindometer zeigt die vollkommen gleichmäßige Deagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente

Reproduzierbare Ergebnisse für die industrielle Qualitätssicherung

Konstanz ist für Beschichtungshersteller entscheidend
Die industrielle Farbproduktion erfordert hochgradig reproduzierbare Prozessergebnisse. Optische Eigenschaften, Rheologie, Haltbarkeit und mikrobiologische Stabilität müssen von Charge zu Charge und über lange Produktionszeiträume hinweg konstant bleiben.

Ultraschallgeräte von Hielscher liefern reproduzierbare Ultraschallbedingungen, die Folgendes unterstützen:

• gleichmäßige Pigmentdispergierung
• stabile Partikelgrößenreduzierung
• gleichbleibende mikrobielle Behandlung
• zuverlässige Produktqualität über verschiedene Produktionsläufe hinweg

Diese Reproduzierbarkeit ist entscheidend für die Prozessvalidierung, die Qualitätssicherung und die industrielle Einführung der Ultraschalltechnologie.

Ultraschallbehandlung als strategische Technologie für moderne wasserbasierte Beschichtungen

Die Beschichtungsindustrie entwickelt sich hin zu Formulierungen, die nachhaltiger sind, weniger gefährliche Zusatzstoffe enthalten und eine robustere Leistungsfähigkeit aufweisen. Die Ultraschallbehandlung passt hervorragend zu dieser Entwicklung, weil sie zwei große Herausforderungen der Produktion gleichzeitig adressiert: den Bedarf an effizienter Pigmentdispergierung und den Bedarf an mikrobieller Stabilität.
Durch die Kombination dieser Funktionen in einem Prozessschritt hilft die Ultraschallbehandlung Herstellern, die Produktion zu vereinfachen, die Beschichtungsqualität zu verbessern und die Abhängigkeit von herkömmlichen Konservierungssystemen zu verringern. Dies macht die Ultraschallbehandlung für Bautenfarben, industrielle Beschichtungen, funktionelle Dispersionen, Druckfarben und verwandte wasserbasierte Systeme äußerst attraktiv.
Ultraschallgeräte von Hielscher bieten die industrielle Plattform, die benötigt wird, um diese Strategie in der Praxis umzusetzen. Mit ihrer präzisen Steuerung, den druckbeaufschlagbaren Durchflusszellen, der Inline-Fähigkeit, der linearen Skalierbarkeit, der einfachen Reinigung und den reproduzierbaren Ergebnissen eignen sie sich besonders für die Herstellung von Farben und Beschichtungen.

Nutzen Sie die Vorteile der Dispergierung und Sterilisation von Beschichtungen mit Ultraschall

Die biozidfreie Sterilisation und Dispergierung wasserbasierter Beschichtungen mittels Ultraschallbehandlung ist ein äußerst vielversprechender Ansatz für die moderne Farbherstellung. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Pigmentdispergierung, reduziert die mikrobielle Belastung und unterstützt eine höhere Produktstabilität in einem integrierten Prozess. Diese Kombination ist besonders wertvoll in einer Branche, die unter wachsendem Druck steht, Konservierungsmittel zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Produktqualität und Prozesseffizienz aufrechtzuerhalten.
Für Hersteller wasserbasierter Farben und Beschichtungen bieten Ultraschallgeräte von Hielscher eine praxisgerechte und industriell bewährte Lösung. Ihre Prozesssteuerbarkeit, Inline-Integration, für eine intensivierte Behandlung ausgelegte Durchflusszellenkonstruktion, Skalierbarkeit, hygienische Reinigbarkeit und reproduzierbare Leistungsfähigkeit machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl für die gleichzeitige Dispergierung und Sterilisation von Farbpigmenten.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität aus Deutschland

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Ultraschallgeräte von Hielscher kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

• 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.