Emulzije vode u parafinskom vosku: troškovno učinkovita proizvodnja svijeća primjenom ultrazvuka

Ultrazvučno emulgiranje moćna je tehnologija obrade za proizvođače svijeća koji žele smanjiti potrošnju parafina, poboljšati kontrolu formulacije i učinkovito povećati opseg proizvodnje. Dispergiranjem do 10% vode u rastaljenom parafinskom vosku proizvođači svijeća mogu smanjiti troškove sirovina uz održavanje homogene voštane faze prikladne za industrijsku proizvodnju svijeća. Hielscher sonikatori sa sondom osiguravaju kavitaciju visokog intenziteta potrebnu za stvaranje finih, ujednačenih emulzija vode u vosku – od laboratorijskih ispitivanja do kontinuirane proizvodnje.

Poboljšajte proizvodnju parafinskih svijeća ultrazvučnim emulgiranjem

Parafinski vosak i dalje je jedna od najčešće korištenih sirovina u proizvodnji svijeća. Međutim, promjenjive cijene voska, sve veći pritisak na marže i potreba za proizvodnjom uz učinkovitiju uporabu resursa potaknuli su velik interes za tehnologije koje smanjuju potrošnju parafina bez ugrožavanja pouzdanosti procesa. Ultrazvučno emulgiranje omogućuje umješavanje vode u rastaljeni parafinski vosak, čime nastaju stabilne emulzije voska.
Primjenom ultrazvuka velike snage fino dispergirane kapljice vode mogu se uklopiti u voštanu fazu, pri čemu nastaje stabilna emulzija vode u parafinu. Kada se u parafinskom vosku emulgira do 10% vode, proizvođači mogu smanjiti količinu parafina potrebnu po svijeći, čime se izravno štedi materijal. Za proizvođače s velikim obujmom proizvodnje čak i malo postotno smanjenje potrošnje voska može rezultirati znatnim godišnjim uštedama.

Zašto je ultrazvučno emulgiranje idealno za parafinski vosak

Voda i parafinski vosak po prirodi se ne miješaju. Konvencionalnim metodama miješanja često je teško fino i ravnomjerno dispergirati vodu u rastaljenom vosku, osobito kada su potrebni ujednačena veličina kapljica, ponovljivost procesa i industrijski kapacitet obrade. Ultrazvučno emulgiranje rješava taj izazov akustičnom kavitacijom.
Tijekom sonikacije ultrazvuk visokog intenziteta stvara mikroskopske kavitacijske mjehuriće u tekućem mediju. Njihov kolaps stvara lokalizirane snažne smične sile, turbulenciju i veliku energiju miješanja. Hielscher opisuje ultrazvučne emulgatore kao uređaje koji akustičnom kavitacijom razbijaju tekućine koje se međusobno ne miješaju u vrlo sitne kapljice i ravnomjerno ih raspoređuju.
Za obradu voska za svijeće to znači da se voda može dispergirati u rastaljenom parafinu znatno učinkovitije nego mnogim rotor-stator miješalicama ili miješalicama s malim smičnim silama. Nastala emulzija može omogućiti:

• Finu raspodjelu kapljica vode unutar rastaljene voštane faze
• Poboljšanu homogenost cjelokupne formulacije za svijeće
• Smanjenu potrošnju parafina zamjenom dijela volumena voska vodom
• Veću ponovljivost šarži zahvaljujući mogućnosti kontrole parametara ultrazvuka
• Učinkovitu obradu u protoku za kontinuirane linije za proizvodnju svijeća

Ušteda parafina emulgiranjem do 10% vode

Ekonomski je motiv jasan: parafinski vosak skupa je osnovna sirovina, dok je voda jeftina i lako dostupna. Ultrazvučnim ugrađivanjem do 10% vode u matricu voska proizvođači svijeća mogu smanjiti potrošnju parafina po jedinici proizvoda.
Primjerice, u proizvodnom scenariju u kojem se upotrebljava 1.000 kg formulacije voska za svijeće, zamjena 10% parafinske faze emulgiranom vodom može smanjiti potrebu za parafinom do 100 kg, ovisno o sastavu formulacije i specifikacijama konačnog proizvoda. U industrijskom mjerilu to može predstavljati znatne uštede u nabavi, skladištenju i logistici sirovina.
Ključno nije samo dodati vodu, nego je pravilno emulgirati. Loše dispergirana voda može se izdvojiti, uzrokovati nedostatke ili narušiti proces obrade. Ultrazvučna emulgacija stvara strukturu finih kapljica potrebnu za stabilno ugrađivanje u rastaljenu fazu voska. Hielscher posebno ističe sonikatore sa sondom u kombinaciji s ultrazvučnim protočnim ćelijama kao učinkovit pristup emulgaciji parafinskog voska kojim se poboljšavaju učinkovitost, ujednačenost, mogućnost povećanja mjerila i dosljednost kvalitete.

Ultrazvučna obrada smanjuje kapljice parafinskog voska na 160nm uz dugotrajnu stabilnost

Znanstvena studija autora Jadhav et al. (2015) pokazuje da je ultrazvučno potpomognuta emulgacija učinkovit način proizvodnje stabilnih nanoemulzija parafinskog voska u vodi, kojim se prevladava nestabilnost tipična za konvencionalne metode inverzije emulzije. Pripremajući emulziju s omjerom vode i parafina od 80:20, optimizirali su ključne procesne varijable – koncentraciju površinski aktivne tvari, primijenjenu ultrazvučnu snagu i vrijeme sonikacije. U optimiziranim procesnim uvjetima istraživači su postigli kapljice parafinskog voska veličine oko 160,9 nm uz 10 mg/mL SDS-a, 40% primijenjene snage, što odgovara 0,61 W/mL, i 15 minuta sonikacije. Rad pokazuje da akustična kavitacija fizički razbija rastaljeni parafin u kapljice nanometarskih dimenzija, dok SDS brzo stabilizira novonastalu međufaznu površinu; DSC i FTIR potvrdili su da parafinski vosak tijekom sonikacije nije kemijski promijenjen. Dobivene kapljice bile su čvrste, sferične, negativno nabijene zbog adsorpcije SDS-a i stabilne dulje od tri mjeseca, dok su emulzije pripremljene metodom točke inverzije emulzije pokazivale vrhnjenje ili razdvajanje faza unutar 30 minuta. Sveukupno, napredak je u dokazu da se ultrazvučnom obradom mogu proizvesti fine, stabilne, niskoenergetske nanoemulzije parafinskog voska s kontroliranom veličinom kapljica, visokom fizičkom stabilnošću i jasnim potencijalom za formulacije na bazi voska čije se proizvodno mjerilo može povećavati.
 

SEM snimke ultrazvučno pripremljene emulzije parafinskog voska pri (a) 5000 , (b) 20.000
Studija i slika: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher sonikatori za emulzije vode u vosku

Hielscher Ultrasonics proizvodi sonikatore sa sondom za laboratorijsku, pilotnu i industrijsku obradu tekućina. Njegovi ultrazvučni sustavi upotrebljavaju se za primjene kao što su emulgacija, homogenizacija, dispergiranje, smanjenje veličine čestica, ekstrakcija i kemijska obrada.
Za proizvodnju svijeća glavna je prednost kontrola procesa. Hielscher sonikatori omogućuju operaterima definiranje i reproduciranje ključnih parametara sonikacije, uključujući amplitudu, unos energije, temperaturu, tlak, protok i vrijeme zadržavanja. To je osobito važno za rastaljeni parafinski vosak, kod kojeg viskoznost i temperatura snažno utječu na kvalitetu emulgacije.

Ultrazvučno proizvedena nanoemulzija

Tipične mogućnosti primjene uključuju:

1. Šaržnu sonikaciju za razvoj formulacija, male proizvodne serije ili specijalne svijeće
2. Sonikaciju u protoku s protočnim ćelijama za kontinuiranu obradu voska
3. Reaktore koji se mogu staviti pod tlak radi povećanja intenziteta kavitacije i kontrolirane obrade
4. Sustavi montirani na nosivi okvir za integraciju u postojeće industrijske linije za proizvodnju svijeća

Industrijski portfelj tvrtke Hielscher obuhvaća ultrazvučne procesore velike snage kao što je UIP4000hdT, koji pruža ultrazvučnu snagu do 4 kW za zahtjevne zadatke industrijske obrade tekućina, uključujući homogenizaciju, emulgiranje, dispergiranje i fino mljevenje čestica. Za veće proizvodne kapacitete Hielscher nudi sustave kao što je UIP16000, industrijski ultrazvučni procesor snage 16 kW namijenjen kontinuiranoj obradi velikih količina u liniji i integraciji u proizvodna okruženja.
Povezivanje nekoliko sonikatora u paralelni sklop omogućuje redundanciju i postupno povećanje razmjera obrade s rastom potražnje i širenjem poslovanja.

Industrijska važnost za proizvođače svijeća

Industrija svijeća posluje pod snažnim pritiskom troškova, osobito u proizvodnji lučica, stupnih svijeća, zavjetnih svijeća, svijeća u posudama i ukrasnih svijeća za masovno tržište. Promjenjivost cijena parafinskog voska izravno utječe na profitabilnost. Ultrazvučno emulgiranje vode u vosku proizvođačima pruža praktičan način smanjenja potrošnje voska uz održavanje proizvodnog procesa čiji se razmjer može povećavati i koji se može kontrolirati.

Industrijska važnost osobito je velika ondje gdje je proizvođačima potrebno sljedeće:

• Proizvodnja velikih količina uz ujednačenu kvalitetu voska
• Manja potrošnja parafina po svijeći
• Kontinuirana obrada u liniji umjesto isključivo šaržnog miješanja
• Pouzdan prijenos procesa iz istraživanja i razvoja u proizvodnju
• Precizna kontrola kvalitete emulzije
• Integracija u postojeće linije za taljenje, doziranje i lijevanje

Tehnologija je privlačna i proizvođačima koji razvijaju nove formulacije svijeća s optimiziranim troškovima. Prilagodbom udjela vode, sustava emulgatora, temperature voska i unosa ultrazvučne energije proizvođači mogu prilagoditi formulaciju željenoj geometriji svijeće, ponašanju pri gorenju, završnoj obradi površine i načinu proizvodnje.
Kao i pri svakoj promjeni formulacije svijeće, proizvođači bi trebali provjeriti svojstva gorenja, izgled, stabilnost, sigurnost, kompatibilnost s mirisima i ponašanje tijekom skladištenja u vlastitim proizvodnim uvjetima. Međutim, ultrazvučno emulgiranje pruža intenzitet obrade i ponovljivost potrebne da takav razvoj formulacije bude tehnički izvediv u industrijskom mjerilu.

Ultrazvučna obrada kao konkurentska prednost u proizvodnji emulzija voska

Za proizvođače svijeća ultrazvučno emulgiranje više je od metode miješanja. To je tehnologija intenzifikacije procesa koja može smanjiti troškove sirovina, poboljšati fleksibilnost formulacija i podržati povećanje razmjera proizvodnje.
Hielscher sonikatori osmišljeni su upravo za tu vrstu zahtjevne obrade tekućina. Od laboratorijskih ispitivanja s rastaljenim parafinom do kontinuiranog emulgiranja u liniji u industrijskoj proizvodnji, Hielscher ultrazvučni sustavi pružaju snagu, kontrolu i mogućnost povećanja razmjera potrebne za emulzije vode u parafinskom vosku za svijeće.
Ugradnjom do 10% vode u parafinski vosak primjenom ultrazvučne kavitacije proizvođači svijeća mogu smanjiti ovisnost o skupom parafinu uz održavanje kontrolirane, homogene formulacije voska. Za industrijsku proizvodnju svijeća time se stvara jasna gospodarska i operativna prednost: niži troškovi materijala, ponovljiva kvaliteta i izravan put od formulacije u laboratorijskom mjerilu do proizvodnje u punom opsegu.

 
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Ultrazvučne emulzije voska: linearno povećanje razmjera od laboratorija do industrijske proizvodnje

Jedna od glavnih prednosti ultrazvučne tehnologije Hielscher jest linearno povećanje mjerila procesa. Proizvođači svijeća mogu započeti ispitivanjima izvedivosti u malom mjerilu, optimizirati formulaciju vode u parafinu, a zatim prenijeti procesne parametre na veće sustave.
Za razliku od mnogih konvencionalnih tehnologija miješanja, kod kojih povećanje mjerila može zahtijevati opsežne preinake i neizvjesne prilagodbe, povećanje mjerila ultrazvučnih procesa temelji se na ponovljivim procesnim parametrima. Kada su poznati potrebni specifični unos energije, amplituda, temperatura, tlak i vrijeme zadržavanja (brzina strujanja), mjerilo procesa može se povećati povećanjem ultrazvučne snage i kapaciteta obrade ili paralelnim radom više ultrazvučnih jedinica.
Ovaj je pristup posebno vrijedan za proizvođače svijeća jer smanjuje razvojni rizik. Formulacija razvijena na laboratorijskom ili stolnom sonikatoru može se validirati na pilot-opremi, a zatim prenijeti u punu industrijsku proizvodnju. Hielscher navodi da se stolni homogenizatori mogu upotrebljavati za istraživanje primjena, rad na povećanju mjerila procesa, pilot-istraživanja, optimizaciju procesa i obradu manjih šarži, dok su ultrazvučne sonde velike snage od 4 do 16 kW dostupne za kontinuiranu obradu u proizvodnoj liniji ili šaržnu obradu velikih količina.
U velikim proizvodnim pogonima povezivanje više ultrazvučnih procesora u skupinu omogućuje vrlo velik kapacitet obrade uz održavanje jednakih kavitacijskih uvjeta u svakom reaktoru. Ovaj modularni koncept omogućuje pouzdano proširenje kapaciteta bez narušavanja ujednačenosti proizvoda.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Ultrazvučni uređaji Hielscher s lakoćom podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.