Esterilización sin biocidas y dispersión de recubrimientos de base acuosa

Los recubrimientos de base acuosa se utilizan ampliamente porque permiten formular productos con bajo contenido de COV, una manipulación más segura y una producción más sostenible. Al mismo tiempo, su contenido de agua los hace muy susceptibles a la contaminación microbiana. Las bacterias, las levaduras y los mohos pueden entrar en el producto a través de las materias primas, los depósitos, las tuberías, los sistemas de llenado o la exposición al ambiente durante la fabricación y el almacenamiento. Una vez que se produce la contaminación, los microorganismos pueden proliferar rápidamente y comprometer tanto la calidad del producto como su vida útil.
Por ello, la estabilidad microbiana es un factor de calidad fundamental en pinturas, recubrimientos, tintas y dispersiones de pigmentos de base acuosa.

La sonicación combina la dispersión de pigmentos y el control microbiano en un único proceso industrial

Tradicionalmente, los fabricantes recurren a conservantes y biocidas para la conservación en el envase para controlar el deterioro. Sin embargo, la creciente presión normativa y el aumento de la demanda de formulaciones más limpias impulsan la búsqueda de alternativas. La sonicación de alta intensidad ofrece una solución muy eficaz al permitir la dispersión y la esterilización simultáneas en una sola etapa del proceso.
Para los fabricantes de recubrimientos, esto significa que el procesamiento ultrasónico no es solo una tecnología de dispersión. También es una potente herramienta de proceso para mejorar la estabilidad microbiológica y favorecer estrategias de formulación con bajo contenido de biocidas o sin biocidas.

Por qué la estabilidad microbiana es fundamental a escala industrial en las pinturas de base acuosa

La contaminación microbiana afecta directamente a la calidad del producto y a la fiabilidad del proceso: la estabilidad microbiana de las pinturas tiene una gran relevancia industrial porque el crecimiento microbiano puede provocar diversos defectos en los productos y problemas de producción. Las formulaciones de base acuosa suelen contener ingredientes orgánicos como aglutinantes, dispersantes, agentes humectantes, espesantes y antiespumantes. Estos componentes pueden crear un entorno favorable para el crecimiento microbiano si se introduce contaminación durante el procesamiento o el almacenamiento.

En la práctica industrial, un control microbiano insuficiente puede dar lugar a:

• variaciones de la viscosidad y cambios de pH
• formación de gases e hinchamiento de los envases
• mal olor y alteraciones del color
• menor estabilidad durante el almacenamiento
• defectos de la película y comportamiento irregular durante la aplicación
• en los baños de inmersión – mayor frecuencia de limpieza y paradas por contaminación

El deterioro microbiano no solo daña el producto. También puede generar problemas de higiene recurrentes en depósitos, tuberías y circuitos de recirculación, lo que provoca pérdidas de producción, reprocesamientos, reclamaciones de clientes y costes de eliminación. Por este motivo, la estabilidad microbiana no es una propiedad secundaria. Es un requisito esencial para el éxito comercial de los recubrimientos de base acuosa.

Cómo funciona la sonicación en los recubrimientos de base acuosa

La cavitación acústica genera un cizallamiento intenso y, con ello, la ruptura de las células microbianas: los ultrasonidos de alta potencia actúan mediante cavitación acústica. Cuando las ondas ultrasónicas atraviesan un líquido, se forman burbujas microscópicas que crecen e implosionan. Estos fenómenos de cavitación generan fuerzas de cizallamiento, turbulencias, cambios de presión y microchorros muy localizados.
En los recubrimientos de base acuosa, estos efectos de cavitación son valiosos porque actúan simultáneamente sobre las partículas y los microorganismos. Los aglomerados de pigmentos se descomponen eficazmente en partículas más finas, mientras que las células microbianas sufren daños mecánicos y se inactivan. Esto hace que la sonicación resulte especialmente atractiva para formulaciones en las que tanto la calidad de la dispersión como la estabilidad microbiana son esenciales.

Una sola etapa del proceso cumple dos funciones fundamentales

En lugar de tratar la dispersión de pigmentos y el control microbiano como tareas independientes, la sonicación los combina en una sola operación. Este doble efecto ofrece una clara ventaja industrial.

La misma energía ultrasónica que desaglomera los grupos de pigmentos y dispersa las partículas de manera uniforme también puede reducir la carga microbiana viable del recubrimiento. Como resultado, la sonicación favorece:

• una dispersión de pigmentos más fina y uniforme
• una mayor fuerza colorante y uniformidad óptica
• una menor contaminación microbiana durante el procesamiento
• una mayor estabilidad durante el almacenamiento de los productos de base acuosa
• una menor dependencia de los conservantes y de los biocidas para la conservación en el envase

Esto hace que la sonicación sea muy relevante para el desarrollo de sistemas de recubrimiento más sostenibles y con un etiquetado más limpio.
 

Dióxido de silicio dispersado por ultrasonidos: curva roja – sin tratar; curva verde: después de la dispersión ultrasónica

Ventajas de la dispersión y la esterilización simultáneas de pigmentos para pinturas

1. Una mejor calidad de dispersión mejora las prestaciones del recubrimiento
   Los pigmentos y las cargas suelen formar aglomerados que son difíciles de romper si la energía mecánica es insuficiente. La sonicación proporciona un cizallamiento intenso y dirigido, por lo que resulta muy eficaz para la desaglomeración y la reducción del tamaño de las partículas. Una dispersión más fina puede mejorar varias características del recubrimiento final, como el desarrollo del color, la opacidad, el brillo y la estabilidad a largo plazo.
2. La esterilización simultánea favorece la reducción de biocidas
   Al mismo tiempo, la cavitación ultrasónica puede dañar las células microbianas presentes en la fase líquida. Esto reduce la contaminación en la corriente de producto y ayuda a mejorar la estabilidad microbiana sin depender exclusivamente de la conservación química. Para los fabricantes que buscan sistemas con bajo contenido de biocidas o sin biocidas, esto supone una ventaja significativa del proceso.
3. La intensificación del proceso reduce la complejidad
   Combinar dos objetivos clave del proceso en una sola etapa en línea simplifica la producción. En lugar de añadir etapas de tratamiento independientes para la dispersión y el control microbiano, los productores de recubrimientos pueden integrar ambos en un único proceso de sonicación controlado. Esto reduce la manipulación, favorece una producción más limpia y mejora la reproducibilidad.

Por qué el procesamiento sin biocidas está cobrando importancia

Las exigencias normativas, ambientales y del mercado están transformando las estrategias de formulación
La transición hacia recubrimientos con bajo contenido de biocidas o sin biocidas responde a varios factores industriales. Los marcos normativos son cada vez más estrictos, las expectativas ambientales aumentan y los clientes demandan productos más seguros y sostenibles, con menos sustancias preocupantes.
En este contexto, las tecnologías de procesamiento físico adquieren relevancia estratégica. La sonicación resulta especialmente atractiva porque no se limita a sustituir un aditivo por otro. Introduce un principio de tratamiento no químico que mejora tanto la dispersión como la estabilidad microbiana mediante energía mecánica.

Para los formuladores y los responsables de producción, esto ofrece varias ventajas:

• apoyo al desarrollo de conceptos de producto más sostenibles
• menor dependencia de los conservantes convencionales
• mejora de la higiene del proceso
• un posicionamiento más sólido para los recubrimientos de base acuosa de próxima generación

Por qué los sonicadores Hielscher son la mejor solución para la producción industrial de recubrimientos

Control preciso para unas condiciones de procesamiento reproducibles

Los sonicadores Hielscher están diseñados para el control de procesos industriales. En la producción de recubrimientos, el control preciso de los parámetros de sonicación es esencial porque el comportamiento de la formulación depende del tipo de pigmento, el contenido de sólidos, la viscosidad, la temperatura, el caudal y la intensidad del tratamiento.

Los sistemas Hielscher permiten ajustar con precisión parámetros importantes del proceso, como:

• amplitud
• presión
• caudal / tiempo de residencia
• temperatura
• aporte de energía

Esta precisión permite a los fabricantes optimizar la dispersión de pigmentos, mejorar la calidad de la formulación y conseguir una reducción microbiana reproducible.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de células vegetativas de B. subtilis antes (a) y después de la irradiación ultrasónica durante 30 min (b), (c).
Estudio e imagen: © Hashimoto et al., 2020

Celdas de flujo presurizables para una sonicación intensificada

Una presión elevada aumenta la intensidad de la cavitación
Una ventaja clave de la tecnología Hielscher es el uso de reactores con celdas de flujo presurizables. La presión influye considerablemente en el comportamiento de la cavitación. A una presión elevada, la cavitación se vuelve más intensa y eficaz, lo que resulta especialmente valioso para dispersiones exigentes y para la inactivación microbiana continua.

Las celdas de flujo presurizables favorecen:

• un tratamiento ultrasónico intensificado
• una desaglomeración más eficaz
• una mayor eficiencia del proceso

Para las plantas industriales de recubrimientos, esto significa que el tratamiento ultrasónico puede ajustarse no solo para demostrar su viabilidad a escala de laboratorio, sino también para responder a la capacidad de producción real y a las exigencias del producto.

Procesamiento en línea para la fabricación continua

La sonicación puede integrarse directamente en la línea de producción
Los sonicadores Hielscher son muy adecuados para el procesamiento en línea. Esto permite tratar continuamente los recubrimientos de base acuosa a medida que circulan por el sistema de producción. La sonicación en línea se adapta bien a la fabricación industrial porque evita la manipulación innecesaria de lotes y puede integrarse en circuitos de transferencia, sistemas de recirculación o líneas de proceso específicas.

El procesamiento en línea ofrece claras ventajas operativas:

• tratamiento continuo en condiciones definidas
• integración sencilla en las plantas existentes
• menor manipulación manual
• mayor eficiencia y uniformidad del proceso

Para los fabricantes de recubrimientos, esto convierte la sonicación en una tecnología de producción práctica.

TiO2 secado por atomización antes y después de la molienda ultrasónica

Escalabilidad lineal desde el laboratorio hasta la producción industrial

Los parámetros del proceso pueden transferirse de forma fiable entre escalas
El escalado es una cuestión fundamental en el desarrollo de procesos. Los sistemas ultrasónicos Hielscher están diseñados para ofrecer una escalabilidad lineal, lo que significa que las condiciones del proceso establecidas a escala de laboratorio o piloto pueden trasladarse sistemáticamente a la producción industrial.
Esto es especialmente importante para las empresas que desarrollan recubrimientos innovadores con bajo contenido de biocidas, porque reduce el riesgo durante la implementación y ayuda a acelerar la comercialización.

Las ventajas de la escalabilidad lineal incluyen:

• desarrollo de procesos más sencillo
• transferencia fiable de I+D a producción
• rendimiento predecible con una mayor capacidad de procesamiento
• menor incertidumbre durante el escalado

Limpieza sencilla y diseño higiénico del proceso

La facilidad de limpieza es importante cuando el objetivo es la estabilidad microbiana
Si el control microbiano es un objetivo clave del proceso, la higiene de los equipos cobra aún más importancia. Los sonicadores Hielscher están diseñados para facilitar la limpieza industrial y la integración en entornos de proceso higiénicos.

La limpieza sencilla ayuda a los fabricantes a:

• reducir los riesgos de contaminación en los equipos
• detener el crecimiento microbiano
• reducir el tiempo y el esfuerzo dedicados a la limpieza y el mantenimiento
• mejorar la fiabilidad del proceso a lo largo de ciclos de producción repetidos

En los recubrimientos de base acuosa, donde la contaminación puede persistir en depósitos, zonas muertas y sistemas de transferencia, los equipos ultrasónicos fáciles de limpiar contribuyen directamente a la estabilidad del producto y a la robustez operativa.

La pintura a la tiza sonicada sobre el grindómetro demuestra la desaglomeración y la distribución del tamaño de las partículas perfectamente uniformes de los pigmentos

Resultados reproducibles para el aseguramiento de la calidad industrial

La uniformidad es esencial para los fabricantes de recubrimientos
La producción industrial de pinturas requiere resultados de proceso altamente reproducibles. Las propiedades ópticas, la reología, la vida útil y la estabilidad microbiológica deben mantenerse uniformes entre lotes y durante largos periodos de producción.

Los sonicadores Hielscher proporcionan condiciones ultrasónicas reproducibles que favorecen:

• una dispersión uniforme de los pigmentos
• una reducción estable del tamaño de las partículas
• un tratamiento microbiano uniforme
• una calidad del producto fiable en las distintas series de producción

Esta reproducibilidad es esencial para la validación del proceso, el aseguramiento de la calidad y la adopción industrial de la tecnología ultrasónica.

La sonicación como tecnología estratégica para los recubrimientos modernos de base acuosa

La industria de los recubrimientos avanza hacia formulaciones más sostenibles, con menos aditivos peligrosos y prestaciones más robustas. La sonicación encaja excepcionalmente bien en esta tendencia porque aborda simultáneamente dos grandes retos de producción: la necesidad de una dispersión eficaz de los pigmentos y la necesidad de estabilidad microbiana.
Al combinar estas funciones en una sola etapa del proceso, la sonicación ayuda a los fabricantes a simplificar la producción, mejorar la calidad de los recubrimientos y reducir la dependencia de los sistemas de conservación convencionales. Esto hace que el tratamiento ultrasónico resulte muy atractivo para pinturas arquitectónicas, recubrimientos industriales, dispersiones funcionales, tintas y otros sistemas de base acuosa relacionados.
Los sonicadores Hielscher proporcionan la plataforma industrial necesaria para aplicar esta estrategia en la práctica. Su control preciso, sus celdas de flujo presurizables, su capacidad de procesamiento en línea, su escalabilidad lineal, su limpieza sencilla y sus resultados reproducibles los hacen especialmente adecuados para la producción de pinturas y recubrimientos.

Aproveche la dispersión y la esterilización ultrasónicas de recubrimientos

La esterilización sin biocidas y la dispersión de recubrimientos de base acuosa mediante sonicación constituyen un enfoque muy prometedor para la fabricación moderna de pinturas. La sonicación mejora la dispersión de pigmentos, reduce la carga microbiana y favorece una mayor estabilidad del producto en un único proceso integrado. Esta combinación es especialmente valiosa en una industria sometida a una presión creciente para reducir los conservantes y, al mismo tiempo, mantener una alta calidad del producto y eficiencia del proceso.
Para los fabricantes de pinturas y recubrimientos de base acuosa, los sonicadores Hielscher ofrecen una solución práctica y probada a escala industrial. Su capacidad de control del proceso, su integración en línea, su diseño de celda de flujo para intensificar el tratamiento, su escalabilidad, su facilidad de limpieza higiénica y su rendimiento reproducible los convierten en una excelente opción para la dispersión y la esterilización simultáneas de pigmentos para pinturas.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores:

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher afrontan con facilidad las condiciones adversas y los entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa certificada según ISO y pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen con la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Bibliografía / Referencias

• 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.