Víz-a-paraffinviaszban emulziók: költséghatékony gyertyagyártás ultrahanggal

Az ultrahangos emulgeálás hatékony feldolgozási technológia azoknak a gyertyagyártóknak, akik csökkenteni kívánják a paraffinfelhasználást, javítani a készítmény összetételének szabályozását, és hatékonyan növelni a termelés léptékét. Akár 10% víz olvadt paraffinviaszban történő diszpergálásával a gyertyagyártók csökkenthetik az alapanyagköltségeket, miközben megőrzik az ipari gyertyagyártáshoz megfelelő homogén viaszfázist. A Hielscher szondás ultrahangos készülékei biztosítják a finom, egyenletes víz-a-viaszban emulziók előállításához szükséges nagy intenzitású kavitációt – a laboratóriumi kísérletektől a folyamatos üzemi gyártásig.

A paraffingyertyák gyártásának javítása ultrahangos emulgeálással

A paraffinviasz továbbra is a gyertyagyártás egyik legszélesebb körben használt alapanyaga. Az ingadozó viaszárak, az árrésekre nehezedő növekvő nyomás és az erőforrás-hatékonyabb gyártás iránti igény azonban jelentős érdeklődést keltett az olyan technológiák iránt, amelyek a folyamat megbízhatóságának veszélyeztetése nélkül csökkentik a paraffinfelhasználást. Az ultrahangos emulgeálás lehetővé teszi a víz olvadt paraffinviaszba történő bekeverését, stabil viaszemulziókat hozva létre.
Nagy teljesítményű ultrahanggal finoman diszpergált vízcseppek juttathatók a viaszfázisba, stabil víz-a-paraffinban emulziót létrehozva. Akár 10% víz paraffinviaszba történő emulgeálásával a gyártók csökkenthetik az egy gyertyához szükséges paraffin mennyiségét, közvetlen anyagmegtakarítást elérve. A nagy termelési volumenű gyártóknál a viaszfelhasználás akár kis százalékos csökkenése is jelentős éves költségmegtakarítást eredményezhet.

Miért ideális az ultrahangos emulgeálás a paraffinviaszhoz?

A víz és a paraffinviasz természetüknél fogva nem elegyednek egymással. A hagyományos keverési módszerekkel gyakran nehéz a vizet finoman és egyenletesen diszpergálni az olvadt viaszban, különösen akkor, ha egyenletes cseppméretre, reprodukálható folyamatra és ipari feldolgozási kapacitásra van szükség. Az ultrahangos emulgeálás akusztikus kavitáció révén oldja meg ezt a kihívást.
Az ultrahangos kezelés során a nagy intenzitású ultrahang mikroszkopikus kavitációs buborékokat hoz létre a folyékony közegben. Összeomlásuk helyileg nagy nyíróerőket, turbulenciát és intenzív keverési energiát eredményez. A Hielscher leírása szerint az ultrahangos emulgeálók akusztikus kavitációval bontják az egymással nem elegyedő folyadékokat rendkívül apró cseppekre, és egyenletesen oszlatják el azokat.
A gyertyaviasz feldolgozásában ez azt jelenti, hogy a víz sok rotor–sztátor keverőhöz vagy kis nyíróhatású keverőhöz képest jóval hatékonyabban diszpergálható az olvadt paraffinban. Az így létrejövő emulzió a következőket kínálhatja:

• Finom vízcseppeloszlás az olvadt viaszfázison belül
• A gyertyakészítmény egészének jobb homogenitása
• Csökkent paraffinfelhasználás a viasztérfogat egy részének vízzel történő helyettesítésével
• Jobban reprodukálható gyártási tételek a szabályozható ultrahangos paramétereknek köszönhetően
• Hatékony, gyártósorba épített feldolgozás folyamatos gyertyagyártó sorokhoz

Paraffinmegtakarítás akár 10% víz emulgeálásával

A gazdasági ösztönző egyértelmű: a paraffinviasz költséges alapanyag, míg a víz olcsó és könnyen hozzáférhető. Akár 10% víz ultrahangos bejuttatásával a viaszmátrixba a gyertyagyártók csökkenthetik az egységenkénti paraffinfelhasználást.
Például egy 1 000 kg gyertyaviasz-készítményt felhasználó gyártási helyzetben a paraffinfázis 10%-ának emulgeált vízzel történő helyettesítése akár 100 kg-mal is csökkentheti a paraffinigényt, a készítmény kialakításától és a végtermék specifikációitól függően. Ipari léptékben ez jelentős megtakarítást jelenthet az alapanyag-beszerzésben, a tárolásban és a logisztikában.
A kulcs nem egyszerűen a víz hozzáadása, hanem annak megfelelő emulgeálása. A rosszul diszpergált víz különválhat, hibákat okozhat, vagy veszélyeztetheti a feldolgozást. Az ultrahangos emulgeálás létrehozza az olvadt viaszfázisba történő stabil beépüléshez szükséges finom cseppszerkezetet. A Hielscher kifejezetten az ultrahangos átfolyó cellákkal kombinált szondás ultrahangos készülékeket emeli ki a paraffinviasz emulgeálásának hatékony megoldásaként, amely javítja a hatékonyságot, az egyenletességet, a léptéknövelhetőséget és az állandó minőséget.

Az ultrahangos feldolgozás 160nm-re csökkenti a paraffinviaszcseppek méretét, hosszú távú stabilitást biztosítva

Jadhav et al. (2015) tudományos tanulmánya igazolja, hogy az ultrahanggal segített emulgeálás hatékony eljárás stabil paraffinviasz-a-vízben nanoemulziók előállítására, leküzdve a hagyományos emulzióinverziós módszerekre jellemző instabilitást. Egy 80:20 víz–paraffin arányú emulzió előállítása során optimalizálták a legfontosabb folyamatváltozókat – a felületaktívanyag-koncentrációt, az alkalmazott ultrahangos teljesítményt és az ultrahangos kezelés időtartamát. Optimalizált folyamatkörülmények között a kutatók körülbelül 160,9 nm méretű paraffinviaszcseppeket értek el 10 mg/mL SDS, 0,61 W/mL-nek megfelelő 40%-os alkalmazott teljesítmény és 15 perces ultrahangos kezelés mellett. A munka megmutatja, hogy az akusztikus kavitáció fizikailag nanoméretű cseppekre bontja az olvadt paraffint, miközben az SDS gyorsan stabilizálja az újonnan kialakult határfelületet; a DSC és az FTIR megerősítette, hogy a paraffinviasz az ultrahangos kezelés során kémiailag nem változott meg. A létrejött cseppek szilárdak, gömb alakúak, az SDS adszorpciója miatt negatív töltésűek és több mint három hónapig stabilak voltak, míg az emulzióinverziós pont módszerével előállított emulziók 30 percen belül felkrémesedtek vagy szétváltak. Összességében az előrelépés annak bizonyításában rejlik, hogy az ultrahangos feldolgozás finom, stabil, alacsony energiájú paraffinviasz-nanoemulziókat képes előállítani szabályozott cseppmérettel, nagy fizikai stabilitással és egyértelmű lehetőségekkel a léptéknövelésre alkalmas viaszalapú készítmények terén.
 

Ultrahanggal előállított paraffinviasz-emulzió SEM-képei (a) 5000 , (b) 20 000 mellett
Tanulmány és kép: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher ultrahangos készülékek víz-a-viaszban emulziókhoz

A Hielscher Ultrasonics szondás ultrahangos készülékeket gyárt laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari folyadékfeldolgozáshoz. Ultrahangos rendszereit olyan alkalmazásokban használják, mint az emulgeálás, homogenizálás, diszpergálás, részecskeméret-csökkentés, extrakció és kémiai feldolgozás.
A gyertyagyártásban a fő előny a folyamat szabályozása. A Hielscher ultrahangos készülékei lehetővé teszik a kezelők számára a legfontosabb ultrahangos kezelési paraméterek meghatározását és reprodukálását, beleértve az amplitúdót, az energiabevitelt, a hőmérsékletet, a nyomást, a térfogatáramot és a tartózkodási időt. Ez különösen fontos az olvadt paraffinviasz esetében, ahol a viszkozitás és a hőmérséklet erősen befolyásolja az emulgeálás minőségét.

Ultrahanggal előállított nanoemulzió

A jellemző megvalósítási lehetőségek közé tartoznak:

1. Szakaszos ultrahangos kezelés készítményfejlesztéshez, kis gyártási tételekhez vagy különleges gyertyákhoz
2. Gyártósorba épített ultrahangos kezelés átfolyó cellákkal a viasz folyamatos feldolgozásához
3. Nyomás alá helyezhető reaktorok a nagyobb kavitációs intenzitáshoz és a szabályozott feldolgozáshoz
4. Tartókeretre szerelt rendszerek a meglévő ipari gyertyagyártó sorokba történő integráláshoz

A Hielscher ipari kínálatában olyan nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezések szerepelnek, mint a UIP4000hdT, amely akár 4 kW ultrahangos teljesítményt biztosít az igényes ipari folyadékfeldolgozási feladatokhoz, beleértve a homogenizálást, az emulgeálást, a diszpergálást és a részecskék finomőrlését. Nagyobb termelési kapacitásokhoz a Hielscher olyan rendszereket kínál, mint a UIP16000, egy 16 kW-os ipari ultrahangos feldolgozóberendezés, amelyet nagy volumenű, gyártósorba épített feldolgozásra és termelési környezetekbe történő integrálásra terveztek.
Több ultrahangos készülék párhuzamos csoportba kapcsolása redundanciát és fokozatos léptéknövelést tesz lehetővé a kereslet növekedésével és a vállalkozás bővülésével.

Ipari jelentőség a gyertyagyártók számára

A gyertyaipar erős költségnyomás alatt működik, különösen a teamécsesek, tömbgyertyák, fogadalmi gyertyák, tartóba öntött gyertyák és díszgyertyák tömegpiaci gyártásában. A paraffinviasz árának ingadozása közvetlenül befolyásolja a jövedelmezőséget. A víz-a-viaszban ultrahangos emulgeálás gyakorlati lehetőséget ad a gyártóknak a viaszfelhasználás csökkentésére, miközben fenntartják a léptéknövelésre alkalmas és szabályozható gyártási folyamatot.

Ipari jelentősége különösen nagy ott, ahol a gyártóknak a következőkre van szükségük:

• Nagy volumenű gyártás állandó viaszminőséggel
• Alacsonyabb paraffinfelhasználás gyertyánként
• Folyamatos, gyártósorba épített feldolgozás a kizárólag szakaszos keverés helyett
• A folyamat megbízható átültetése a kutatás-fejlesztésből a gyártásba
• Az emulzió minőségének pontos szabályozása
• Integrálás a meglévő olvasztó-, adagoló- és öntősorokba

A technológia az új, költségoptimalizált gyertyakészítményeket fejlesztő gyártók számára is vonzó. A víztartalom, az emulgeálószer-rendszer, a viaszhőmérséklet és az ultrahangos energiabevitel beállításával a gyártók a készítményt a kívánt gyertyageometriához, égési viselkedéshez, felületi minőséghez és gyártási módszerhez igazíthatják.
Mint a gyertyakészítmény bármely módosítása esetén, a gyártóknak saját gyártási körülményeik között kell validálniuk az égési teljesítményt, a megjelenést, a stabilitást, a biztonságot, az illatanyagokkal való kompatibilitást és a tárolás során mutatott viselkedést. Az ultrahangos emulgeálás azonban biztosítja azt a feldolgozási intenzitást és reprodukálhatóságot, amely az ilyen készítményfejlesztést ipari léptékben műszakilag megvalósíthatóvá teszi.

Az ultrahangos feldolgozás mint versenyelőny a viaszemulziók terén

A gyertyagyártók számára az ultrahangos emulgeálás több mint keverési módszer. Olyan folyamatintenzifikáló technológia, amely csökkentheti az alapanyagköltségeket, javíthatja a készítmények kialakításának rugalmasságát és támogathatja a léptéknövelésre alkalmas gyártást.
A Hielscher ultrahangos készülékeit pontosan az ilyen igényes folyadékfeldolgozási feladatokra tervezték. Az olvadt paraffinnal végzett laboratóriumi kísérletektől az ipari gyártás folyamatos, gyártósorba épített emulgeálásáig a Hielscher ultrahangos rendszerei biztosítják a víz-a-paraffinban gyertyaviasz-emulziókhoz szükséges teljesítményt, szabályozhatóságot és léptéknövelhetőséget.
Akár 10% víz paraffinviaszba történő bejuttatásával, ultrahangos kavitáció alkalmazásával a gyertyagyártók csökkenthetik a drága paraffintól való függőségüket, miközben megőrzik a szabályozott, homogén viaszkészítményt. Az ipari gyertyagyártás számára ez egyértelmű gazdasági és működési előnyt teremt: alacsonyabb anyagköltségeket, reprodukálható minőséget és közvetlen utat a laboratóriumi léptékű készítményfejlesztéstől a teljes üzemi léptékű gyártásig.

 
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Ultrahangos viaszemulziók: lineáris léptéknövelés a laboratóriumtól az ipari gyártásig

A Hielscher ultrahangos technológiájának egyik fő előnye a lineáris léptéknövelés. A gyertyagyártók kis léptékű megvalósíthatósági vizsgálatokkal kezdhetnek, optimalizálhatják a víz-a-paraffinban készítményt, majd átvihetik a folyamatparamétereket nagyobb rendszerekre.
Sok hagyományos keverési technológiával ellentétben, ahol a léptéknövelés jelentős újratervezést és bizonytalan eredményű módosításokat igényelhet, az ultrahangos léptéknövelés reprodukálható folyamatparamétereken alapul. Amint ismert a szükséges fajlagos energiabevitel, amplitúdó, hőmérséklet, nyomás és tartózkodási idő (áramlási sebesség), a folyamat léptéke az ultrahangos teljesítmény és a feldolgozási kapacitás növelésével, vagy több ultrahangos egység párhuzamos üzemeltetésével növelhető.
Ez a megközelítés különösen értékes a gyertyagyártók számára, mert csökkenti a fejlesztési kockázatot. A laboratóriumi vagy asztali ultrahangos készüléken kifejlesztett készítmény kísérleti üzemi berendezésen validálható, majd átültethető a teljes ipari gyártásba. A Hielscher megjegyzi, hogy az asztali homogenizátorok alkalmazáskutatásra, léptéknövelési munkákra, kísérleti üzemi vizsgálatokra, folyamatoptimalizálásra és kisebb tételek feldolgozására használhatók, míg a 4–16 kW-os nagy teljesítményű ultrahangos szondák nagy volumenű, gyártósorba épített vagy szakaszos feldolgozáshoz állnak rendelkezésre.
Nagy gyártóüzemekben több ultrahangos feldolgozóberendezés csoportba kapcsolása rendkívül nagy feldolgozási kapacitást tesz lehetővé, miközben minden reaktorban azonos kavitációs körülményeket tart fenn. Ez a moduláris koncepció megbízható kapacitásbővítést támogat a termék egyenletességének feláldozása nélkül.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelésük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igényes környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a korszerű technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen CE-megfelelőséggel rendelkeznek, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.