Sterilizzazione senza biocidi e dispersione dei rivestimenti a base d’acqua

I rivestimenti a base d’acqua sono ampiamente utilizzati perché consentono formulazioni a basso contenuto di COV, una manipolazione più sicura e una produzione più sostenibile. Al tempo stesso, il loro contenuto d’acqua li rende altamente suscettibili alla contaminazione microbica. Batteri, lieviti e muffe possono entrare nel prodotto attraverso materie prime, serbatoi, tubazioni, sistemi di riempimento o l’esposizione all’ambiente durante la produzione e lo stoccaggio. Una volta avvenuta la contaminazione, i microrganismi possono proliferare rapidamente e compromettere sia la qualità del prodotto sia la sua durata di conservazione.
Per questo motivo, la stabilità microbica è un fattore di qualità fondamentale per pitture, rivestimenti, inchiostri e dispersioni di pigmenti a base d’acqua.

La sonicazione combina dispersione dei pigmenti e controllo microbico in un unico processo industriale

Tradizionalmente, i produttori si affidano a conservanti e biocidi per la conservazione in contenitore per controllare il deterioramento. Tuttavia, la crescente pressione normativa e l’aumento della domanda di formulazioni più pulite stanno stimolando la ricerca di alternative. La sonicazione ad alta intensità offre una soluzione altamente efficace, consentendo dispersione e sterilizzazione simultanee in un’unica fase di processo.
Per i produttori di rivestimenti, ciò significa che il trattamento a ultrasuoni non è soltanto una tecnologia di dispersione. È anche un potente strumento di processo per migliorare la stabilità microbiologica, favorendo al contempo strategie di formulazione a basso contenuto di biocidi o prive di biocidi.

Perché la stabilità microbica è fondamentale a livello industriale nelle pitture a base d’acqua

La contaminazione microbica influisce direttamente sulla qualità del prodotto e sull’affidabilità del processo: la stabilità microbica delle pitture riveste grande importanza industriale perché la crescita microbica può innescare una serie di difetti del prodotto e problemi di produzione. Le formulazioni a base d’acqua contengono spesso ingredienti organici come leganti, disperdenti, agenti bagnanti, addensanti e antischiuma. Questi componenti possono creare un ambiente favorevole alla crescita microbica se la contaminazione viene introdotta durante il trattamento o lo stoccaggio.

Nella pratica industriale, un controllo microbico insufficiente può provocare:

• deriva della viscosità e variazioni del pH
• formazione di gas e rigonfiamento dei contenitori
• cattivi odori e alterazioni del colore
• ridotta stabilità durante lo stoccaggio
• difetti del film e comportamento applicativo incostante
• per i bagni a immersione – aumento della frequenza di pulizia e dei tempi di fermo dovuti alla contaminazione

Il deterioramento microbico non danneggia soltanto il prodotto. Può anche creare problemi igienici ricorrenti in serbatoi, tubazioni e circuiti di ricircolo, causando perdite di produzione, rilavorazioni, reclami dei clienti e costi di smaltimento. Per questo motivo, la stabilità microbica non è una proprietà secondaria. È un requisito fondamentale per il successo commerciale dei rivestimenti a base d’acqua.

Come funziona la sonicazione nei rivestimenti a base d’acqua

La cavitazione acustica genera intense sollecitazioni di taglio e, di conseguenza, la disgregazione dei microrganismi: gli ultrasuoni ad alta potenza agiscono attraverso la cavitazione acustica. Quando le onde ultrasoniche attraversano un liquido, si formano bolle microscopiche che crescono e implodono. Questi eventi di cavitazione generano forze di taglio altamente localizzate, turbolenza, variazioni di pressione e microgetti.
Nei rivestimenti a base d’acqua, questi effetti cavitazionali sono preziosi perché agiscono contemporaneamente sia sulle particelle sia sui microrganismi. Gli agglomerati di pigmenti vengono disgregati efficacemente in particelle più fini, mentre le cellule microbiche vengono danneggiate meccanicamente e inattivate. Ciò rende la sonicazione particolarmente interessante per le formulazioni in cui sono essenziali sia la qualità della dispersione sia la stabilità microbica.

Un’unica fase di processo svolge due funzioni fondamentali

Anziché trattare la dispersione dei pigmenti e il controllo microbico come attività separate, la sonicazione li combina in un’unica operazione. Questo duplice effetto offre un chiaro vantaggio industriale.

La stessa energia ultrasonica che deagglomera gli aggregati di pigmenti e disperde uniformemente le particelle può anche ridurre la carica microbica vitale nel rivestimento. Di conseguenza, la sonicazione favorisce:

• una dispersione dei pigmenti più fine e uniforme
• un maggiore potere colorante e una migliore uniformità ottica
• una minore contaminazione microbica durante il trattamento
• una migliore stabilità durante lo stoccaggio dei prodotti a base d’acqua
• una minore dipendenza da conservanti e biocidi per la conservazione in contenitore

Ciò rende la sonicazione particolarmente rilevante per lo sviluppo di sistemi di rivestimento più sostenibili e con un’etichetta che dichiara meno additivi.
 

Diossido di silicio disperso mediante ultrasuoni: curva rossa – non trattato; curva verde: dopo la dispersione a ultrasuoni

Vantaggi della dispersione e sterilizzazione simultanee dei pigmenti per pitture

1. Una migliore qualità della dispersione migliora le prestazioni del rivestimento
   Pigmenti e cariche formano spesso agglomerati difficili da disgregare quando l’energia meccanica è insufficiente. La sonicazione genera sollecitazioni di taglio intense e mirate, risultando altamente efficace per la deagglomerazione e la riduzione delle dimensioni delle particelle. Una dispersione più fine può migliorare diverse caratteristiche prestazionali del rivestimento finale, tra cui lo sviluppo del colore, il potere coprente, la brillantezza e la stabilità a lungo termine.
2. La sterilizzazione simultanea favorisce la riduzione dei biocidi
   Al tempo stesso, la cavitazione ultrasonica può danneggiare le cellule microbiche presenti nella fase liquida. Ciò riduce la contaminazione nel flusso di prodotto e contribuisce a migliorare la stabilità microbica senza affidarsi esclusivamente alla conservazione chimica. Per i produttori che puntano a sistemi a basso contenuto di biocidi o privi di biocidi, questo rappresenta un vantaggio di processo significativo.
3. L’intensificazione del processo riduce la complessità
   Combinare due obiettivi fondamentali del processo in un’unica fase in linea semplifica la produzione. Anziché aggiungere fasi di trattamento separate per la dispersione e il controllo microbico, i produttori di rivestimenti possono integrarli entrambi in un unico processo di sonicazione controllato. Ciò riduce le operazioni di manipolazione, favorisce una produzione più pulita e migliora la riproducibilità.

Perché il trattamento senza biocidi sta acquisendo importanza

Le esigenze normative, ambientali e di mercato stanno ridefinendo le strategie di formulazione
Il passaggio a rivestimenti a basso contenuto di biocidi e privi di biocidi è guidato da diversi fattori industriali. I quadri normativi diventano più rigorosi, le aspettative ambientali aumentano e i clienti richiedono prodotti più sicuri e sostenibili, con meno sostanze problematiche.
In questo contesto, le tecnologie di trattamento fisico acquisiscono rilevanza strategica. La sonicazione è particolarmente interessante perché non si limita a sostituire un additivo con un altro. Introduce un principio di trattamento non chimico che migliora sia la dispersione sia la stabilità microbica attraverso l’energia meccanica.

Per i formulatori e i responsabili di produzione, ciò offre diversi vantaggi:

• supporto allo sviluppo di prodotti più sostenibili
• minore dipendenza dai conservanti convenzionali
• migliore igiene del processo
• un posizionamento più forte per i rivestimenti a base d’acqua di nuova generazione

Perché i sonicatori Hielscher sono la soluzione migliore per la produzione industriale di rivestimenti

Controllo preciso per condizioni di trattamento riproducibili

I sonicatori Hielscher sono progettati per il controllo dei processi industriali. Nella produzione di rivestimenti, il controllo preciso dei parametri di sonicazione è essenziale perché il comportamento della formulazione dipende dal tipo di pigmento, dal contenuto di solidi, dalla viscosità, dalla temperatura, dalla portata e dall’intensità del trattamento.

I sistemi Hielscher consentono la regolazione accurata di importanti parametri di processo quali:

• ampiezza
• pressione
• portata / tempo di permanenza
• temperatura
• apporto energetico

Questa precisione consente ai produttori di ottimizzare la dispersione dei pigmenti, migliorando la qualità della formulazione e ottenendo una riduzione microbica riproducibile.

Immagini SEM di cellule vegetative di B. subtilis prima (a) e dopo l’irradiazione ultrasonica per 30 min (b), (c).
Studio e immagine: © Hashimoto et al., 2020

Celle di flusso pressurizzabili per una sonicazione intensificata

Una pressione elevata aumenta l’intensità della cavitazione
Un vantaggio fondamentale della tecnologia Hielscher è l’impiego di reattori con celle di flusso pressurizzabili. La pressione influisce fortemente sul comportamento della cavitazione. A pressione elevata, la cavitazione diventa più intensa ed efficace, un aspetto particolarmente prezioso per dispersioni impegnative e per l’inattivazione microbica continua.

Le celle di flusso pressurizzabili favoriscono:

• un trattamento a ultrasuoni intensificato
• una deagglomerazione più efficace
• una maggiore efficienza del processo

Per gli impianti industriali di produzione di rivestimenti, ciò significa che il trattamento a ultrasuoni può essere regolato non soltanto per verificarne la fattibilità su scala di laboratorio, ma anche per soddisfare la capacità produttiva effettiva e i requisiti del prodotto.

Trattamento in linea per la produzione continua

La sonicazione può essere integrata direttamente nella linea di produzione
I sonicatori Hielscher sono particolarmente adatti al trattamento in linea. Ciò consente di trattare continuamente i rivestimenti a base d’acqua mentre attraversano il sistema di produzione. La sonicazione in linea si adatta bene alla produzione industriale perché evita inutili operazioni di movimentazione dei lotti e può essere integrata in circuiti di trasferimento, sistemi di ricircolo o linee di processo dedicate.

Il trattamento in linea offre chiari vantaggi operativi:

• trattamento continuo in condizioni definite
• facile integrazione negli impianti esistenti
• riduzione delle operazioni manuali di manipolazione
• maggiore efficienza e uniformità del processo

Per i produttori di rivestimenti, ciò rende la sonicazione una tecnologia produttiva pratica.

TiO2 essiccato a spruzzo prima e dopo la macinazione a ultrasuoni

Scalabilità lineare dal laboratorio alla produzione industriale

I parametri di processo possono essere trasferiti in modo affidabile tra diverse scale
Il passaggio di scala è un aspetto cruciale nello sviluppo dei processi. I sistemi a ultrasuoni Hielscher sono progettati per una scalabilità lineare, il che significa che le condizioni di processo definite su scala di laboratorio o pilota possono essere trasferite sistematicamente alla produzione industriale.
Questo è particolarmente importante per le aziende che sviluppano rivestimenti innovativi a basso contenuto di biocidi, perché riduce i rischi durante l’implementazione e contribuisce ad accelerare la commercializzazione.

I vantaggi della scalabilità lineare comprendono:

• sviluppo del processo più semplice
• trasferimento affidabile dalla ricerca e sviluppo alla produzione
• prestazioni prevedibili a capacità di trattamento maggiori
• minore incertezza nel passaggio di scala

Pulizia semplice e progettazione igienica del processo

La facilità di pulizia è importante quando l’obiettivo è la stabilità microbica
Se il controllo microbico è un obiettivo fondamentale del processo, l’igiene delle apparecchiature diventa ancora più importante. I sonicatori Hielscher sono progettati per una pulizia industriale pratica e una facile integrazione in ambienti di processo igienici.

La facilità di pulizia aiuta i produttori a:

• ridurre i rischi di contaminazione nelle apparecchiature
• arrestare la crescita microbica
• ridurre i tempi e l’impegno necessari per pulizia e manutenzione
• migliorare l’affidabilità del processo durante cicli di produzione ripetuti

Nei rivestimenti a base d’acqua, dove la contaminazione può persistere in serbatoi, zone morte e sistemi di trasferimento, le apparecchiature a ultrasuoni facili da pulire contribuiscono direttamente alla stabilità del prodotto e alla robustezza operativa.

La pittura a base di gesso sottoposta a sonicazione sul grindometro dimostra la deagglomerazione e la distribuzione granulometrica perfettamente uniformi dei pigmenti

Risultati riproducibili per l’assicurazione della qualità industriale

L’uniformità è essenziale per i produttori di rivestimenti
La produzione industriale di pitture richiede risultati di processo altamente riproducibili. Le proprietà ottiche, la reologia, la durata di conservazione e la stabilità microbiologica devono rimanere costanti da un lotto all’altro e durante lunghi periodi di produzione.

I sonicatori Hielscher forniscono condizioni ultrasoniche riproducibili che favoriscono:

• dispersione uniforme dei pigmenti
• riduzione stabile delle dimensioni delle particelle
• trattamento microbico uniforme
• qualità affidabile del prodotto nelle diverse campagne di produzione

Questa riproducibilità è essenziale per la convalida del processo, l’assicurazione della qualità e l’adozione industriale della tecnologia a ultrasuoni.

La sonicazione come tecnologia strategica per i moderni rivestimenti a base d’acqua

L’industria dei rivestimenti si sta orientando verso formulazioni più sostenibili, con meno additivi pericolosi e prestazioni più robuste. La sonicazione si inserisce particolarmente bene in questa tendenza perché affronta contemporaneamente due importanti sfide produttive: la necessità di una dispersione efficiente dei pigmenti e quella di una stabilità microbica.
Combinando queste funzioni in un’unica fase di processo, la sonicazione aiuta i produttori a semplificare la produzione, migliorare la qualità dei rivestimenti e ridurre la dipendenza dai sistemi di conservazione convenzionali. Ciò rende il trattamento a ultrasuoni particolarmente interessante per pitture per edilizia, rivestimenti industriali, dispersioni funzionali, inchiostri e altri sistemi correlati a base d’acqua.
I sonicatori Hielscher forniscono la piattaforma industriale necessaria per attuare questa strategia nella pratica. Il controllo preciso, le celle di flusso pressurizzabili, la possibilità di trattamento in linea, la scalabilità lineare, la facilità di pulizia e i risultati riproducibili li rendono particolarmente adatti alla produzione di pitture e rivestimenti.

Sfruttate i vantaggi della dispersione e sterilizzazione a ultrasuoni dei rivestimenti

La sterilizzazione senza biocidi e la dispersione dei rivestimenti a base d’acqua mediante sonicazione rappresentano un approccio altamente promettente per la moderna produzione di pitture. La sonicazione migliora la dispersione dei pigmenti, riduce la carica microbica e favorisce una maggiore stabilità del prodotto in un unico processo integrato. Questa combinazione è particolarmente preziosa in un settore sottoposto a una crescente pressione per ridurre i conservanti mantenendo un’elevata qualità del prodotto e un’elevata efficienza del processo.
Per i produttori di pitture e rivestimenti a base d’acqua, i sonicatori Hielscher offrono una soluzione pratica e comprovata a livello industriale. La controllabilità del processo, l’integrazione in linea, la progettazione delle celle di flusso per un trattamento intensificato, la scalabilità, la facilità di pulizia igienica e le prestazioni riproducibili li rendono una scelta eccellente per la dispersione e sterilizzazione simultanee dei pigmenti per pitture.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono una facile integrazione dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano agevolmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi ai requisiti CE e soddisfano quelli di UL, CSA e RoHs.

Letteratura / Riferimenti

• 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.