Sterilizacija i dispergiranje premaza na bazi vode bez biocida

Premazi na bazi vode široko se primjenjuju jer omogućuju formulacije s niskim sadržajem hlapljivih organskih spojeva (VOC), sigurnije rukovanje i održiviju proizvodnju. Istodobno ih sadržaj vode čini vrlo podložnima 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.
Zato je mikrobna stabilnost ključan čimbenik kvalitete boja, premaza, tinti i disperzija pigmenata na bazi vode.

Sonikacija objedinjuje dispergiranje pigmenata i kontrolu mikroorganizama u jednom industrijskom procesu

Proizvođači se tradicionalno oslanjaju na konzervanse i biocide za zaštitu proizvoda u ambalaži kako bi spriječili kvarenje. Međutim, sve veći regulatorni pritisak i rastuća potražnja za čišćim formulacijama potiču potragu za alternativama. Sonikacija visokog intenziteta nudi vrlo učinkovito rješenje jer omogućuje istodobno dispergiranje i sterilizaciju u jednom procesnom koraku.
Za proizvođače premaza to znači da ultrazvučna obrada nije samo tehnologija dispergiranja. Ona je i moćan procesni alat za poboljšanje mikrobiološke stabilnosti koji istodobno podupire strategije formuliranja s niskim sadržajem biocida ili bez biocida.

Zašto je mikrobna stabilnost boja na bazi vode ključna u industriji

Mikrobna kontaminacija izravno utječe na kvalitetu proizvoda i pouzdanost procesa: mikrobna stabilnost boja od velike je važnosti za industriju jer rast mikroorganizama može izazvati niz nedostataka proizvoda i problema u proizvodnji. Formulacije na bazi vode često sadržavaju organske sastojke poput veziva, dispergatora, sredstava za kvašenje, zgušnjivača i sredstava protiv pjenjenja. Te komponente mogu stvoriti povoljno okruženje za rast mikroorganizama ako tijekom obrade ili skladištenja dođe do kontaminacije.

U industrijskoj praksi nedovoljna kontrola mikroorganizama može dovesti do:

• odstupanja viskoznosti i promjena pH vrijednosti
• stvaranja plina i napuhivanja ambalaže
• neugodnog mirisa i promjene boje
• smanjene stabilnosti pri skladištenju
• nedostataka filma premaza i neujednačenog ponašanja pri nanošenju
• kod kupelji za uranjanje – povećane učestalosti čišćenja i zastoja povezanih s kontaminacijom

Mikrobno kvarenje ne oštećuje samo proizvod. Ono može uzrokovati i ponavljajuće higijenske probleme u spremnicima, cijevima i recirkulacijskim krugovima, što dovodi do gubitaka u proizvodnji, ponovne obrade, reklamacija kupaca i troškova zbrinjavanja. Zbog toga mikrobna stabilnost nije sporedno svojstvo. Ona je temeljni zahtjev za komercijalno uspješne premaze na bazi vode.

Kako sonikacija djeluje u premazima na bazi vode

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

Jedan procesni korak ostvaruje dvije ključne funkcije

Umjesto da se dispergiranje pigmenata i kontrola mikroorganizama provode kao odvojeni zadaci, sonikacija ih objedinjuje u jednom postupku. Taj dvostruki učinak pruža jasnu industrijsku prednost.

Ista ultrazvučna energija koja deaglomerira nakupine pigmenata i ravnomjerno dispergira čestice može smanjiti i opterećenje premaza vijabilnim mikroorganizmima. Stoga sonikacija omogućuje:

• finija i ujednačenija disperzija pigmenata
• poboljšana jakost boje i optička ujednačenost
• smanjena mikrobna kontaminacija tijekom obrade
• poboljšana stabilnost proizvoda na bazi vode tijekom skladištenja
• manja ovisnost o konzervansima i biocidima za zaštitu proizvoda u ambalaži

Zbog toga je sonikacija vrlo važna za razvoj održivijih sustava premaza s čišćim popisom sastojaka.
 

Ultrazvučno dispergiran silicijev dioksid: crvena krivulja – neobrađen; zelena krivulja: nakon ultrazvučnog dispergiranja

Prednosti istodobnog dispergiranja i sterilizacije pigmenata za boje

1. Bolja kvaliteta disperzije poboljšava svojstva premaza
   Pigmenti i punila često tvore aglomerate koje je teško razbiti ako je mehanička energija nedostatna. Sonikacija osigurava intenzivno i ciljano smicanje, zbog čega je vrlo učinkovita za deaglomeraciju i smanjenje veličine čestica. Finija disperzija može poboljšati nekoliko uporabnih svojstava konačnog premaza, uključujući razvoj boje, pokrivnost, sjaj i dugoročnu stabilnost.
2. Istodobna sterilizacija podupire smanjenje uporabe biocida
   Istodobno, ultrazvučna kavitacija može oštetiti mikrobne stanice prisutne u tekućoj fazi. Time se smanjuje kontaminacija u toku proizvoda i pomaže poboljšati mikrobna stabilnost bez isključivog oslanjanja na kemijsko konzerviranje. Za proizvođače koji nastoje razviti sustave s malim udjelom biocida ili bez biocida to je značajna procesna prednost.
3. Intenzifikacija procesa smanjuje složenost
   Objedinjavanje dvaju ključnih procesnih ciljeva u jednom koraku obrade u proizvodnoj liniji pojednostavljuje proizvodnju. Umjesto uvođenja zasebnih faza obrade za dispergiranje i kontrolu mikroorganizama, proizvođači premaza mogu oboje objediniti u jednom kontroliranom procesu sonikacije. Time se smanjuje rukovanje, podupire čišća proizvodnja i poboljšava ponovljivost.

Zašto obrada bez biocida postaje sve važnija

Regulatorni, okolišni i tržišni zahtjevi preoblikuju strategije formuliranja
Prijelaz na premaze s malim udjelom biocida i bez biocida potiče nekoliko industrijskih čimbenika. Regulatorni okviri postaju stroži, okolišna očekivanja rastu, a kupci traže sigurnije i održivije proizvode s manje zabrinjavajućih tvari.
U tom kontekstu tehnologije fizikalne obrade dobivaju stratešku važnost. Sonikacija je osobito privlačna jer ne zamjenjuje samo jedan aditiv drugim. Ona uvodi načelo nekemijske obrade kojim se mehaničkom energijom poboljšavaju i disperzija i mikrobna stabilnost.

Stručnjacima za razvoj formulacija i voditeljima proizvodnje to donosi nekoliko prednosti:

• podrška održivijim konceptima proizvoda
• smanjena ovisnost o konvencionalnim konzervansima
• poboljšana higijena procesa
• snažnije tržišno pozicioniranje premaza na bazi vode sljedeće generacije

Zašto su sonikatori Hielscher najbolje rješenje za industrijsku proizvodnju premaza

Precizna kontrola za ponovljive uvjete obrade

Sonikatori Hielscher osmišljeni su za kontrolu industrijskih procesa. U proizvodnji premaza precizna kontrola parametara sonikacije ključna je jer ponašanje formulacije ovisi o vrsti pigmenta, udjelu krutih tvari, viskoznosti, temperaturi, protoku i intenzitetu obrade.

Sustavi Hielscher omogućuju precizno podešavanje važnih procesnih parametara kao što su:

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

Ta preciznost omogućuje proizvođačima optimizaciju disperzije pigmenata, čime se poboljšava kvaliteta formulacije i postiže ponovljivo smanjenje broja mikroorganizama.

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

Protočne ćelije koje se mogu staviti pod tlak za intenzivniju sonikaciju

Povišeni tlak povećava intenzitet kavitacije
Ključna prednost tehnologije Hielscher jest uporaba reaktora s protočnim ćelijama koje se mogu staviti pod tlak. Tlak snažno utječe na ponašanje kavitacije. Pri povišenom tlaku kavitacija postaje intenzivnija i učinkovitija, što je osobito vrijedno za zahtjevne disperzije i kontinuiranu inaktivaciju mikroorganizama.

Protočne ćelije koje se mogu staviti pod tlak omogućuju:

• intenzivniju ultrazvučnu obradu
• učinkovitiju deaglomeraciju
• poboljšanu učinkovitost procesa

Za industrijska postrojenja za proizvodnju premaza to znači da se ultrazvučna obrada može prilagoditi ne samo izvedivosti u laboratorijskom mjerilu nego i stvarnom proizvodnom kapacitetu i zahtjevima proizvoda.

Obrada u proizvodnoj liniji za kontinuiranu proizvodnju

Sonikacija se može integrirati izravno u proizvodnu liniju
Sonikatori Hielscher vrlo su prikladni za obradu u proizvodnoj liniji. To omogućuje kontinuiranu obradu premaza na bazi vode tijekom prolaska kroz proizvodni sustav. Sonikacija u proizvodnoj liniji dobro se uklapa u industrijsku proizvodnju jer izbjegava nepotrebno rukovanje šaržama i može se integrirati u transportne krugove, recirkulacijske sustave ili namjenske procesne linije.

Obrada u proizvodnoj liniji pruža 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 čini sonikaciju praktičnom proizvodnom tehnologijom.

TiO2 osušen raspršivanjem prije i nakon ultrazvučnog mljevenja

Linearno povećanje mjerila od laboratorija do industrijske proizvodnje

Procesni parametri mogu se pouzdano prenijeti između različitih mjerila
Povećanje mjerila ključno je pitanje u razvoju procesa. Ultrazvučni sustavi Hielscher projektirani su za linearno povećanje mjerila, što znači da se procesni uvjeti uspostavljeni u laboratorijskom ili pilot-mjerilu mogu sustavno prenijeti u industrijsku proizvodnju.
To je osobito važno za tvrtke koje razvijaju inovativne premaze s niskim udjelom biocida jer smanjuje rizik tijekom uvođenja u proizvodnju i pomaže ubrzati komercijalizaciju.

Prednosti linearnog povećanja mjerila uključuju:

• lakši razvoj procesa
• pouzdan prijenos iz istraživanja i razvoja u proizvodnju
• predvidljive rezultate pri većem kapacitetu obrade
• manju neizvjesnost pri povećanju mjerila

Jednostavno čišćenje i higijensko projektiranje procesa

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

Jednostavno čišćenje pomaže proizvođačima:

• smanjiti rizike od kontaminacije opreme
• zaustaviti rast mikroorganizama
• skratiti vrijeme potrebno za čišćenje i održavanje
• poboljšati pouzdanost procesa tijekom ponovljenih proizvodnih ciklusa

Kod premaza na bazi vode, gdje se kontaminacija može zadržati u spremnicima, mrtvim zonama i transportnim sustavima, ultrazvučna oprema koja se lako čisti izravno pridonosi stabilnosti proizvoda i pouzdanosti rada.

Kredna boja obrađena sonikacijom 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 ujednačeni od šarže do šarže i tijekom dugih proizvodnih razdoblja.

Sonikatori Hielscher osiguravaju ponovljive uvjete ultrazvučne obrade koji omogućuju:

• ujednačenu disperziju pigmenata
• stabilno smanjenje veličine čestica
• ujednačenu obradu mikroorganizama
• pouzdanu kvalitetu proizvoda kroz proizvodne cikluse

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

Sonikacija kao strateška tehnologija za suvremene premaze na bazi vode

Industrija premaza usmjerava se prema formulacijama koje su održivije, sadrže manje opasnih aditiva i imaju pouzdanija uporabna svojstva. Sonikacija se iznimno dobro uklapa u taj smjer jer istodobno rješava dva velika proizvodna izazova: potrebu za učinkovitim dispergiranjem pigmenata i potrebu za mikrobnom stabilnošću.
Objedinjavanjem tih funkcija u jednom procesnom koraku sonikacija pomaže proizvođačima pojednostavniti proizvodnju, poboljšati kvalitetu premaza i smanjiti ovisnost o konvencionalnim sustavima konzerviranja. Zbog toga je ultrazvučna obrada vrlo privlačna za građevinske boje, industrijske premaze, funkcionalne disperzije, tinte i srodne sustave na bazi vode.
Hielscher sonikatori pružaju industrijsku platformu potrebnu za provedbu te strategije u praksi. Njihova precizna regulacija, protočne ćelije koje se mogu staviti pod tlak, mogućnost obrade u liniji, linearna skalabilnost, jednostavno čišćenje i ponovljivi rezultati čine ih posebno prikladnima za proizvodnju boja i premaza.

Iskoristite prednosti ultrazvučnog dispergiranja i sterilizacije premaza

Sterilizacija bez biocida i dispergiranje premaza na bazi vode primjenom sonikacije pristup su koji mnogo obećava u suvremenoj proizvodnji boja. Sonikacija poboljšava dispergiranje pigmenata, smanjuje mikrobno opterećenje i pridonosi većoj stabilnosti proizvoda u jednom objedinjenom procesu. Ta je kombinacija posebno vrijedna u industriji koja je pod sve većim pritiskom da smanji uporabu konzervansa uz istodobno održavanje visoke kvalitete proizvoda i učinkovitosti procesa.
Proizvođačima boja i premaza na bazi vode Hielscher sonikatori nude praktično i industrijski dokazano rješenje. Mogućnost regulacije procesa, integracija u liniju, konstrukcija protočne ćelije koja omogućuje intenzivniju obradu, skalabilnost, mogućnost higijenskog čišćenja i ponovljivi radni učinak čine ih izvrsnim izborom za istodobno dispergiranje i sterilizaciju pigmenata za boje.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji s lakoćom rade u teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću uporabe. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima za oznaku CE te 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.