Wasser-in-Paraffin-Wachsemulsionen: Kosteneffiziente Kerzenherstellung mit Ultraschall

Die Ultraschall-Emulgierung ist eine leistungsstarke Verarbeitungstechnologie für Kerzenhersteller, die ihren Paraffinverbrauch senken, die Kontrolle über die Rezeptur verbessern und ihre Produktion effizient skalieren möchten. Durch die Einarbeitung von bis zu 10 % Wasser in geschmolzenes Paraffinwachs können Kerzenhersteller ihre Rohstoffkosten senken und gleichzeitig eine homogene Wachsphase aufrechterhalten, die für die industrielle Kerzenherstellung geeignet ist. Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher erzeugen die hochintensive Kavitation, die zur Herstellung feiner, gleichmäßiger Wasser-in-Wachs-Emulsionen erforderlich ist. – von Laborversuchen bis hin zum kontinuierlichen Produktionsmaßstab.

Verbesserung der Paraffinkerzenherstellung durch Ultraschall-Emulgierung

Paraffinwachs ist nach wie vor einer der am häufigsten verwendeten Rohstoffe in der Kerzenherstellung. Schwankende Wachspreise, zunehmender Druck auf die Gewinnmargen und die Notwendigkeit einer ressourceneffizienteren Fertigung haben jedoch zu einem starken Interesse an Technologien geführt, die den Paraffinverbrauch senken, ohne die Prozesssicherheit zu beeinträchtigen. Durch Ultraschall-Emulgierung lässt sich Wasser in geschmolzenes Paraffinwachs einmischen, wodurch stabile Wachsemulsionen entstehen.
Mithilfe von Hochleistungsultraschall lassen sich fein dispergierte Wassertröpfchen in die Wachsphase einarbeiten, wodurch eine stabile Wasser-in-Paraffin-Emulsion entsteht. Wenn bis zu 10 % Wasser in Paraffinwachs emulgiert werden, können Hersteller die pro Kerze benötigte Paraffinmenge reduzieren, was zu einer direkten Materialeinsparung führt. Für Großproduzenten kann bereits eine geringfügige prozentuale Reduzierung des Wachsverbrauchs zu erheblichen jährlichen Kosteneinsparungen führen.

Warum die Ultraschall-Emulgierung ideal für Paraffinwachs ist

Wasser und Paraffinwachs sind von Natur aus nicht mischbar. Bei herkömmlichen Mischverfahren ist es oft schwierig, Wasser fein und gleichmäßig im geschmolzenen Wachs zu verteilen, insbesondere wenn eine gleichmäßige Tröpfchengröße, die Reproduzierbarkeit des Prozesses und ein industrieller Durchsatz gefordert sind. Die Ultraschall-Emulgierung löst dieses Problem durch akustische Kavitation.
Bei der Ultraschallbehandlung erzeugt hochintensiver Ultraschall mikroskopisch kleine Kavitationsblasen im flüssigen Medium. Ihr Zusammenbruch erzeugt lokal hohe Scherkräfte, Turbulenzen und intensive Mischenergie. Hielscher beschreibt Ultraschall-Emulgatoren als Geräte, die akustische Kavitation nutzen, um nicht mischbare Flüssigkeiten in sehr kleine Tröpfchen aufzubrechen und diese gleichmäßig zu verteilen.
Für die Kerzenwachsverarbeitung bedeutet dies, dass Wasser weitaus effektiver in geschmolzenes Paraffin eingearbeitet werden kann als mit vielen Rotor-Stator-Mischern oder Rührwerken mit geringer Scherwirkung. Die so entstehende Emulsion bietet folgende Vorteile:

• Feine Verteilung der Wassertropfen innerhalb der geschmolzenen Wachsphase
• Verbesserte Homogenität in der gesamten Kerzenrezeptur
• Reduzierung des Paraffinverbrauchs durch den Ersatz eines Teils der Wachsmenge durch Wasser
• Reproduzierbarere Chargen dank steuerbarer Ultraschallparameter
• Effiziente Inline-Verarbeitung für kontinuierliche Kerzenproduktionslinien

Paraffineinsparung durch Emulgierung von bis zu 10 % Wasser

Der wirtschaftliche Vorteil liegt auf der Hand: Paraffinwachs ist ein kostenintensiver Rohstoff, während Wasser kostengünstig und leicht verfügbar ist. Durch die Einarbeitung von bis zu 10 % Wasser in die Wachsmischung mittels Ultraschall können Kerzenhersteller den Paraffinverbrauch pro Einheit senken.
In einem Produktionsszenario mit 1.000 kg Kerzenwachsformulierung kann beispielsweise der Ersatz von 10 % der Paraffinphase durch emulgiertes Wasser den Paraffinbedarf um bis zu 100 kg senken, abhängig von der Formulierung und den Spezifikationen des Endprodukts. Im industriellen Maßstab kann dies zu erheblichen Einsparungen bei der Beschaffung, Lagerung und Logistik von Rohstoffen führen.
Der Schlüssel liegt nicht einfach darin, Wasser hinzuzufügen, sondern es richtig zu emulgieren. Schlecht dispergiertes Wasser kann sich absetzen, Fehler verursachen oder die Verarbeitung beeinträchtigen. Die Ultraschall-Emulgierung erzeugt die feine Tröpfchenstruktur, die für eine stabile Einarbeitung in die geschmolzene Wachsphase erforderlich ist. Hielscher hebt insbesondere Sonden-Ultraschallgeräte in Kombination mit Ultraschall-Durchflusszellen als effektiven Ansatz für die Emulgierung von Paraffinwachs hervor, da diese die Effizienz, Gleichmäßigkeit, Skalierbarkeit und gleichbleibende Qualität verbessern.

Durch Ultraschallbehandlung werden Paraffinwachs-Tröpfchen auf 160 nm verkleinert, wobei die Stabilität über einen langen Zeitraum erhalten bleibt

Die wissenschaftliche Studie von Jadhav et al. (2015) zeigt, dass die ultraschallunterstützte Emulgierung ein wirksames Verfahren zur Herstellung stabiler Paraffin-in-Wasser-Nanoemulsionen darstellt und damit die für herkömmliche Inversionsverfahren typische Instabilität überwindet. Bei der Herstellung einer Emulsion mit einem Wasser-Paraffin-Verhältnis von 80:20 optimierten sie wichtige Prozessvariablen – Tensidkonzentration, eingesetzte Ultraschallleistung und Ultraschallbehandlungsdauer. Unter optimierten Prozessbedingungen gelang es den Forschern, Paraffinwachs-Tröpfchen mit einer Größe von etwa 160,9 nm zu erzeugen, wobei sie 10 mg/ml SDS, eine eingesetzte Leistung von 40 % (entsprechend 0,61 W/ml) und eine Ultraschallbehandlungsdauer von 15 Minuten verwendeten. Die Arbeit zeigt, dass akustische Kavitation geschmolzenes Paraffin physikalisch in nanoskalige Tröpfchen aufbricht, während SDS die neu gebildete Grenzfläche rasch stabilisiert; DSC- und FTIR-Untersuchungen bestätigten, dass das Paraffinwachs während der Beschallung chemisch nicht verändert wurde. Die entstandenen Tröpfchen waren fest, kugelförmig, aufgrund der SDS-Adsorption negativ geladen und über mehr als drei Monate stabil, während Emulsionen, die nach der Emulsionsinversionspunkt-Methode hergestellt wurden, innerhalb von 30 Minuten cremig wurden oder sich trennten. Insgesamt liegt der Fortschritt darin, dass nachgewiesen wurde, dass durch Ultraschallbehandlung feine, stabile, energiesparende Paraffinwachs-Nanoemulsionen mit kontrollierter Tröpfchengröße, hoher physikalischer Stabilität und deutlichem Potenzial für skalierbare Formulierungen auf Wachsbasis hergestellt werden können.
 

REM-Aufnahmen einer ultraschallbehandelten Paraffinwachs-Emulsion bei (a) 5.000, (b) 20.000
Studie und Abbildung: © Jadhav et al. (2015)

Hielscher-Ultraschallgeräte für Wasser-in-Wachs-Emulsionen

Hielscher Ultrasonics stellt Sonden-Ultraschallgeräte für die Flüssigkeitsverarbeitung im Labor, im Pilotmaßstab und in der Industrie her. Die Ultraschallsysteme des Unternehmens kommen unter anderem bei Anwendungen wie Emulgierung, Homogenisierung, Dispergierung, Partikelzerkleinerung, Extraktion und chemischer Verarbeitung zum Einsatz.
Bei der Kerzenherstellung liegt der Hauptvorteil in der Prozesssteuerung. Mit den Ultraschallgeräten von Hielscher können Anwender wichtige Ultraschallparameter wie Amplitude, Energieeintrag, Temperatur, Druck, Durchflussrate und Verweilzeit festlegen und reproduzieren. Dies ist besonders wichtig bei geschmolzenem Paraffinwachs, bei dem Viskosität und Temperatur die Emulgierqualität stark beeinflussen.

Durch Ultraschall hergestellte Nanoemulsion

Zu den typischen Implementierungsmöglichkeiten gehören:

1. Chargenweise Ultraschallbehandlung für die Produktentwicklung, kleine Produktionschargen oder Spezialkerzen
2. Inline-Ultraschallbehandlung mit Durchflusszellen für die kontinuierliche Wachsverarbeitung
3. Druckbeaufschlagbare Reaktoren für eine verbesserte Kavitationsintensität und eine kontrollierte Verarbeitung
4. Auf einem Fahrgestell montierte Anlagen zum Einbau in bestehende industrielle Kerzenfertigungslinien

Das Industrieportfolio von Hielscher umfasst Hochleistungs-Ultraschallprozessoren wie den UIP4000hdT, der eine Ultraschallleistung von bis zu 4 kW für anspruchsvolle industrielle Flüssigkeitsverarbeitungsaufgaben wie Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung und Feinmahlung von Partikeln liefert. Für größere Produktionskapazitäten bietet Hielscher Systeme wie den UIP16000 an, einen 16-kW-Industrie-Ultraschallprozessor, der für die Inline-Verarbeitung großer Mengen und die Integration in Produktionsumgebungen konzipiert ist.
Durch die parallele Anordnung mehrerer Ultraschallgeräte wird Redundanz gewährleistet und eine schrittweise Skalierung bei steigender Nachfrage und geschäftlicher Expansion ermöglicht.

Branchenrelevanz für Kerzenhersteller

Die Kerzenindustrie steht unter starkem Kostendruck, insbesondere bei der Massenproduktion von Teelichtern, Stumpenkerzen, Votivkerzen, Behälterkerzen und Dekokerzen. Die Preisschwankungen bei Paraffinwachs wirken sich direkt auf die Rentabilität aus. Die Ultraschall-Emulgierung von Wasser in Wachs bietet Herstellern eine praktische Möglichkeit, den Wachsverbrauch zu senken und gleichzeitig einen skalierbaren und kontrollierbaren Produktionsprozess aufrechtzuerhalten.

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

• Großserienfertigung mit gleichbleibender Wachsqualität
• Geringerer Paraffinverbrauch pro Kerze
• Kontinuierliche Inline-Verarbeitung statt ausschließlich chargenweiser Durchmischung
• Zuverlässige Prozessübertragung aus R&D zur Produktion
• Präzise Kontrolle der Emulsionsqualität
• Integration in bestehende Schmelz-, Dosier- und Gießanlagen

Die Technologie ist auch für Hersteller interessant, die neue, kostenoptimierte Kerzenrezepturen entwickeln. Durch die Anpassung des Wassergehalts, des Emulgatorsystems, der Wachs-Temperatur und der Ultraschallenergiezufuhr können Hersteller die Rezeptur genau auf die gewünschte Kerzenform, das Brennverhalten, die Oberflächenbeschaffenheit und das Herstellungsverfahren abstimmen.
Wie bei jeder Änderung der Kerzenrezeptur sollten Hersteller die Brenneigenschaften, das Aussehen, die Stabilität, die Sicherheit, die Duftverträglichkeit und das Lagerverhalten unter ihren eigenen Produktionsbedingungen validieren. Die Ultraschall-Emulgierung bietet jedoch die erforderliche Verarbeitungsintensität und Reproduzierbarkeit, um eine solche Rezepturentwicklung im industriellen Maßstab technisch machbar zu machen.

Ultraschallbehandlung als Wettbewerbsvorteil bei Wachsemulsionen

Für Kerzenhersteller ist die Ultraschall-Emulgierung mehr als nur ein Mischverfahren. Es handelt sich um eine Technologie zur Prozessintensivierung, mit der sich Rohstoffkosten senken, die Flexibilität bei der Rezepturgestaltung verbessern und eine skalierbare Fertigung ermöglichen lassen.
Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind genau für diese Art anspruchsvoller Flüssigkeitsaufbereitungsaufgaben konzipiert. Von Laborversuchen mit geschmolzenem Paraffin bis hin zur kontinuierlichen Inline-Emulgierung in der industriellen Produktion bieten die Ultraschallsysteme von Hielscher die Leistung, die Präzision und die Skalierbarkeit, die für Wasser-in-Paraffin-Kerzenwachs-Emulsionen erforderlich sind.
Durch die Einarbeitung von bis zu 10 % Wasser in Paraffinwachs mittels Ultraschallkavitation können Kerzenhersteller ihre Abhängigkeit von teurem Paraffin verringern und gleichzeitig eine kontrollierte, homogene Wachsformulierung gewährleisten. Für die industrielle Kerzenherstellung ergibt sich daraus ein klarer wirtschaftlicher und betrieblicher Vorteil: geringere Materialkosten, reproduzierbare Qualität und ein direkter Übergang von der Formulierung im Labormaßstab zur Serienfertigung.

 
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Ultraschall-Wachsemulsionen: Lineare Skalierung vom Labor zur industriellen Produktion

Einer der größten Vorteile der Ultraschalltechnologie von Hielscher ist die lineare Skalierbarkeit. Kerzenhersteller können mit Machbarkeitstests im kleinen Maßstab beginnen, die Wasser-in-Paraffin-Rezeptur optimieren und anschließend die Prozessparameter auf größere Anlagen übertragen.
Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Mischtechnologien, bei denen eine Skalierung umfangreiche Neukonstruktionen und unsichere Anpassungen erfordern kann, basiert die Ultraschall-Skalierung auf reproduzierbaren Prozessparametern. Sobald der erforderliche spezifische Energieeinsatz, 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 Ultraschallgeräte skalieren.
Dieser Ansatz ist für Kerzenhersteller besonders wertvoll, da er das Entwicklungsrisiko verringert. Eine auf einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät entwickelte Rezeptur kann auf Pilotanlagen validiert und anschließend in die industrielle Serienproduktion überführt werden. Hielscher weist darauf hin, dass Tischhomogenisatoren für die Anwendungsforschung, die Skalierung, Pilotstudien, die Prozessoptimierung und die Verarbeitung kleinerer Chargen eingesetzt werden können, während für die großvolumige Inline- oder Chargenverarbeitung Hochleistungs-Ultraschallsonden von 4 bis 16 kW zur Verfügung stehen.
In großen Produktionsanlagen ermöglicht die Anordnung mehrerer Ultraschallprozessoren in Clustern einen sehr hohen Durchsatz bei gleichbleibenden Kavitationsbedingungen in jedem Reaktor. Dieses modulare Konzept ermöglicht eine zuverlässige Kapazitätserweiterung, ohne dass die Produktkonsistenz beeinträchtigt wird.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise