Wasser-in-Paraffinwachs-Emulsionen: Kosteneffiziente Kerzenproduktion mit Ultraschall

Die Ultraschallemulgierung ist eine leistungsstarke Verarbeitungstechnologie für Kerzenhersteller, die den Paraffinverbrauch senken, die Kontrolle über ihre Rezepturen verbessern und die Produktion effizient skalieren möchten. Durch das Dispergieren von bis zu 10% Wasser in geschmolzenem Paraffinwachs können Kerzenhersteller die Rohstoffkosten senken und gleichzeitig eine homogene Wachsphase erhalten, die für die industrielle Kerzenherstellung geeignet ist. Die Ultraschallgeräte mit Sonotrode von Hielscher erzeugen die intensive Kavitation, die zur Herstellung feiner, gleichmäßiger Wasser-in-Wachs-Emulsionen erforderlich ist – von Laborversuchen bis zur kontinuierlichen Produktion im industriellen Maßstab.

Paraffinkerzenproduktion durch Ultraschallemulgierung verbessern

Paraffinwachs ist nach wie vor einer der am häufigsten verwendeten Rohstoffe in der Kerzenproduktion. Schwankende Wachspreise, zunehmender Margendruck und der Bedarf an einer ressourceneffizienteren Herstellung haben jedoch ein starkes Interesse an Technologien geweckt, die den Paraffineinsatz reduzieren, ohne die Prozesszuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Die Ultraschallemulgierung ermöglicht es, Wasser in geschmolzenes Paraffinwachs einzumischen und so stabile Wachsemulsionen herzustellen.
Mithilfe von Hochleistungsultraschall lassen sich fein dispergierte Wassertröpfchen in die Wachsphase einbringen, wodurch eine stabile Wasser-in-Paraffin-Emulsion entsteht. Werden bis zu 10% Wasser in Paraffinwachs emulgiert, können Hersteller die pro Kerze benötigte Paraffinmenge reduzieren und damit unmittelbar Material einsparen. Bei Herstellern mit hohen Produktionsmengen kann bereits eine geringe prozentuale Verringerung des Wachsverbrauchs zu erheblichen jährlichen Kosteneinsparungen führen.

Warum die Ultraschallemulgierung ideal für Paraffinwachs ist

Wasser und Paraffinwachs sind von Natur aus nicht miteinander mischbar. Herkömmliche Mischverfahren haben häufig Schwierigkeiten, Wasser fein und gleichmäßig in geschmolzenem Wachs zu dispergieren, insbesondere wenn eine einheitliche Tröpfchengröße, reproduzierbare Prozesse und ein industrieller Durchsatz erforderlich sind. Die Ultraschallemulgierung löst diese Herausforderung durch akustische Kavitation.
Während der Beschallung erzeugt hochintensiver Ultraschall mikroskopisch kleine Kavitationsblasen im flüssigen Medium. Ihr Kollaps erzeugt lokal hohe Scherkräfte, Turbulenzen und intensive Mischenergie. Hielscher beschreibt Ultraschallemulgatoren als Geräte, die mittels akustischer Kavitation nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten in sehr kleine Tröpfchen aufteilen und diese gleichmäßig verteilen.
Für die Verarbeitung von Kerzenwachs bedeutet dies, dass sich Wasser wesentlich effektiver in geschmolzenem Paraffin dispergieren lässt als mit vielen Rotor-Stator-Mischern oder Rührwerken mit geringen Scherkräften. Die entstehende Emulsion kann folgende Vorteile bieten:

• Feine Verteilung der Wassertröpfchen innerhalb der geschmolzenen Wachsphase
• Verbesserte Homogenität in der gesamten Kerzenrezeptur
• Geringerer Paraffineinsatz durch den Ersatz eines Teils des Wachsvolumens durch Wasser
• Besser reproduzierbare Chargen durch steuerbare Ultraschallparameter
• Effiziente Inline-Verarbeitung für kontinuierliche Kerzenproduktionslinien

Paraffin einsparen durch das Emulgieren von bis zu 10% Wasser

Der wirtschaftliche Anreiz liegt auf der Hand: Paraffinwachs ist ein kostenintensiver Grundstoff, während Wasser kostengünstig und leicht verfügbar ist. Durch das Einbringen von bis zu 10% Wasser in die Wachsmatrix mittels Ultraschall können Kerzenhersteller den Paraffinverbrauch pro Einheit reduzieren.
In einem Produktionsszenario mit 1.000 kg Kerzenwachsrezeptur kann beispielsweise der Ersatz von 10% der Paraffinphase durch emulgiertes Wasser den Paraffinbedarf um bis zu 100 kg senken, abhängig von der Ausgestaltung der Rezeptur und den Spezifikationen des Endprodukts. Im industriellen Maßstab kann dies erhebliche Einsparungen bei Rohstoffbeschaffung, Lagerung und Logistik bedeuten.
Entscheidend ist, Wasser nicht einfach hinzuzufügen, sondern es richtig zu emulgieren. Unzureichend dispergiertes Wasser kann sich von der Wachsphase trennen, Fehler verursachen oder die Verarbeitung beeinträchtigen. Die Ultraschallemulgierung erzeugt die feine Tröpfchenstruktur, die für eine stabile Einbindung in die geschmolzene Wachsphase erforderlich ist. Hielscher hebt insbesondere Ultraschallgeräte mit Sonotrode in Kombination mit Ultraschall-Durchflusszellen als effektiven Ansatz für die Emulgierung von Paraffinwachs hervor, der Effizienz, Gleichmäßigkeit, Skalierbarkeit und gleichbleibende Qualität verbessert.

Ultraschallverarbeitung verkleinert Paraffinwachströpfchen auf 160nm bei langfristiger Stabilität

Die wissenschaftliche Studie von Jadhav et al. (2015) zeigt, dass die ultraschallgestützte Emulgierung ein effektiver Weg zur Herstellung stabiler Paraffinwachs-in-Wasser-Nanoemulsionen ist und die für herkömmliche Emulsionsinversionsverfahren typische Instabilität überwindet. Bei der Herstellung einer Emulsion mit einem Wasser-zu-Paraffin-Verhältnis von 80:20 optimierten die Forschenden wichtige Prozessvariablen – Tensidkonzentration, eingesetzte Ultraschallleistung und Beschallungsdauer. Unter optimierten Prozessbedingungen erzielten sie Paraffinwachströpfchen von etwa 160,9 nm mit 10 mg/mL SDS, 40% eingesetzter Leistung entsprechend 0,61 W/mL und einer Beschallungsdauer von 15 Minuten. Die Arbeit zeigt, dass akustische Kavitation geschmolzenes Paraffin physikalisch in nanoskalige Tröpfchen zerteilt, während SDS die neu gebildete Grenzfläche rasch stabilisiert; DSC und FTIR bestätigten, dass das Paraffinwachs während der Beschallung chemisch nicht verändert wurde. Die entstandenen Tröpfchen waren fest, kugelförmig, durch SDS-Adsorption negativ geladen und über mehr als drei Monate stabil, während Emulsionen, die mittels Emulsionsinversionspunkt-Methode hergestellt wurden, innerhalb von 30 Minuten aufrahmten oder sich trennten. Insgesamt liegt der Fortschritt im Nachweis, dass die Ultraschallverarbeitung feine, stabile, energiearme Paraffinwachs-Nanoemulsionen mit kontrollierter Tröpfchengröße, hoher physikalischer Stabilität und eindeutigem Potenzial für skalierbare wachsbasierte Rezepturen erzeugen kann.
 

REM-Aufnahmen einer mittels Ultraschall hergestellten Paraffinwachsemulsion bei (a) 5000, (b) 20.000
Studie und Bild: ©Jadhav et al. (2015)

Ultraschallgeräte von Hielscher für Wasser-in-Wachs-Emulsionen

Hielscher Ultrasonics stellt Ultraschallgeräte mit Sonotrode für die Flüssigkeitsverarbeitung im Labor-, Pilot- und industriellen Maßstab her. Die Ultraschallsysteme werden für Anwendungen wie Emulgieren, Homogenisieren, Dispergieren, Partikelgrößenreduktion, Extraktion und chemische Verarbeitung eingesetzt.
Für die Kerzenproduktion liegt der wesentliche Vorteil in der Prozesskontrolle. Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen es dem Bedienpersonal, wichtige Beschallungsparameter festzulegen und zu reproduzieren, darunter Amplitude, Energieeintrag, Temperatur, Druck, Volumenstrom und Verweilzeit. Dies ist bei geschmolzenem Paraffinwachs besonders wichtig, da Viskosität und Temperatur die Emulgierqualität stark beeinflussen.

Mittels Ultraschall hergestellte Nanoemulsion

Typische Umsetzungsmöglichkeiten sind:

1. Chargenweise Beschallung für die Rezepturentwicklung, kleine Produktionschargen oder Spezialkerzen
2. Inline-Beschallung mit Durchflusszellen für die kontinuierliche Wachsverarbeitung
3. Mit Druck beaufschlagbare Reaktoren für eine verbesserte Kavitationsintensität und kontrollierte Verarbeitung
4. Auf Grundrahmen montierte Systeme zur Integration in bestehende industrielle Kerzenproduktionslinien

Das Industrieportfolio von Hielscher umfasst Hochleistungs-Ultraschallprozessoren wie den UIP4000hdT, der bis zu 4 kW Ultraschallleistung für anspruchsvolle Aufgaben der industriellen Flüssigkeitsverarbeitung bereitstellt, darunter Homogenisieren, Emulgieren, Dispergieren und die Feinvermahlung von Partikeln. Für größere Produktionskapazitäten bietet Hielscher Systeme wie den UIP16000 an, einen industriellen Ultraschallprozessor mit 16 kW, der für die Inline-Verarbeitung großer Mengen und die Integration in Produktionsumgebungen ausgelegt ist.
Die parallele Zusammenschaltung mehrerer Ultraschallgeräte ermöglicht Redundanz und eine schrittweise Maßstabsvergrößerung bei wachsender Nachfrage und Geschäftsexpansion.

Industrielle Relevanz für Kerzenhersteller

Die Kerzenindustrie steht unter starkem Kostendruck, insbesondere bei der Produktion von Teelichtern, Stumpenkerzen, Votivkerzen, Kerzen in Behältern und Dekorationskerzen für den Massenmarkt. Schwankungen des Paraffinwachspreises wirken sich unmittelbar auf die Rentabilität aus. Die Wasser-in-Wachs-Emulgierung mittels Ultraschall bietet Herstellern einen praktikablen Weg, den Wachsverbrauch zu senken und gleichzeitig einen skalierbaren und steuerbaren Produktionsprozess beizubehalten.

Die industrielle Relevanz ist besonders hoch, wenn Hersteller Folgendes benötigen:

• Hohe Produktionsmengen bei gleichbleibender Wachsqualität
• Geringeren Paraffinverbrauch pro Kerze
• Kontinuierliche Inline-Verarbeitung statt ausschließlich chargenweisem Mischen
• Zuverlässige Prozessübertragung von Forschung und Entwicklung in die Produktion
• Präzise Kontrolle der Emulsionsqualität
• Integration in bestehende Schmelz-, Dosier- und Gießlinien

Die Technologie ist auch für Hersteller attraktiv, die neue kostenoptimierte Kerzenrezepturen entwickeln. Durch die Anpassung von Wassergehalt, Emulgatorsystem, Wachstemperatur und Ultraschallenergieeintrag können Hersteller die Rezeptur auf die gewünschte Kerzengeometrie, das Brennverhalten, die Oberflächenbeschaffenheit und das Produktionsverfahren abstimmen.
Wie bei jeder Änderung einer Kerzenrezeptur sollten Hersteller Brenneigenschaften, Aussehen, Stabilität, Sicherheit, Duftstoffverträglichkeit und Lagerverhalten unter ihren eigenen Produktionsbedingungen validieren. Die Ultraschallemulgierung stellt jedoch die Verarbeitungsintensität und Reproduzierbarkeit bereit, die erforderlich sind, um eine solche Rezepturentwicklung im industriellen Maßstab technisch umsetzbar zu machen.

Ultraschallverarbeitung als Wettbewerbsvorteil bei Wachsemulsionen

Für Kerzenhersteller ist die Ultraschallemulgierung mehr als ein Mischverfahren. Sie ist eine Technologie zur Prozessintensivierung, die Rohstoffkosten senken, die Flexibilität bei der Rezepturgestaltung verbessern und eine skalierbare Herstellung unterstützen kann.
Ultraschallgeräte von Hielscher sind genau für diese Art anspruchsvoller Aufgaben der Flüssigkeitsverarbeitung ausgelegt. Von Laborversuchen mit geschmolzenem Paraffin bis zur kontinuierlichen Inline-Emulgierung in der industriellen Produktion bieten Ultraschallsysteme von Hielscher die Leistung, Kontrolle und Skalierbarkeit, die für Wasser-in-Paraffin-Emulsionen für Kerzenwachs erforderlich sind.
Durch das Einbringen von bis zu 10% Wasser in Paraffinwachs mittels Ultraschallkavitation können Kerzenhersteller ihre Abhängigkeit von teurem Paraffin verringern und gleichzeitig eine kontrollierte, homogene Wachsrezeptur beibehalten. Für die industrielle Kerzenproduktion entsteht dadurch ein klarer wirtschaftlicher und betrieblicher Vorteil: geringere Materialkosten, reproduzierbare Qualität und ein direkter Weg von der Rezepturentwicklung im Labormaßstab zur Produktion im industriellen Maßstab.

 
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Ultraschall-Wachsemulsionen: Lineare Maßstabsvergrößerung vom Labor zur industriellen Produktion

Einer der wesentlichen Vorteile der Ultraschalltechnologie von Hielscher ist die lineare Maßstabsvergrößerung. Kerzenhersteller können mit Machbarkeitstests im kleinen Maßstab beginnen, die Wasser-in-Paraffin-Rezeptur optimieren und anschließend die Prozessparameter auf größere Systeme übertragen.
Anders als bei vielen herkömmlichen Mischtechnologien, bei denen die Maßstabsvergrößerung umfassende Neukonstruktionen und Anpassungen mit ungewissem Ergebnis erfordern kann, basiert die Maßstabsvergrößerung bei Ultraschall auf reproduzierbaren Prozessparametern. Sobald der erforderliche spezifische Energieeintrag, die Amplitude, die Temperatur, der Druck und die Verweilzeit (Strömungsgeschwindigkeit) bekannt sind, lässt sich der Prozess durch Erhöhung der Ultraschallleistung und des Durchsatzes oder durch den parallelen Betrieb mehrerer Ultraschalleinheiten skalieren.
Dieser Ansatz ist für Kerzenhersteller besonders wertvoll, da er das Entwicklungsrisiko reduziert. Eine auf einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät entwickelte Rezeptur kann auf Pilotanlagen validiert und anschließend in die industrielle Produktion im vollen Maßstab übertragen werden. Hielscher weist darauf hin, dass Tischhomogenisatoren für Anwendungsforschung, Arbeiten zur Maßstabsvergrößerung, Pilotstudien, Prozessoptimierung und die Verarbeitung kleinerer Chargen eingesetzt werden können, während Hochleistungs-Ultraschallsonotroden von 4 bis 16 kW für die Inline- oder Chargenverarbeitung großer Mengen verfügbar sind.
Für große Produktionsanlagen ermöglicht die Zusammenschaltung mehrerer Ultraschallprozessoren einen sehr hohen Durchsatz, während in jedem Reaktor die gleichen Kavitationsbedingungen aufrechterhalten werden. Dieses modulare Konzept unterstützt eine zuverlässige Kapazitätserweiterung ohne Einbußen bei der Produktkonstanz.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste 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 Hochleistungs-Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Referenzen

• 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.