წყალი-პარაფინის ცვილის ემულსიები: ეკონომიური სანთლების წარმოება ულტრაბგერითი ტექნოლოგიით

ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია არის მძლავრი დამუშავების ტექნოლოგია სანთლების მწარმოებლებისთვის, რომლებსაც სურთ პარაფინის მოხმარების შემცირება, ფორმულირების კონტროლის გაუმჯობესება და წარმოების ეფექტური მასშტაბირება. გამდნარ პარაფინის ცვილში მაქსიმუმ 10% წყლის დისპერგირებით სანთლების მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ ნედლეულის ხარჯები და ამავდროულად შეინარჩუნონ ერთგვაროვანი ცვილის ფაზა, რომელიც შესაფერისია სანთლების სამრეწველო წარმოებისთვის. Hielscher-ის ზონდური ტიპის სონიკატორები უზრუნველყოფენ მაღალი ინტენსივობის კავიტაციას, რომელიც აუცილებელია ცვილში წყლის წვრილდისპერსიული, ერთგვაროვანი ემულსიების შესაქმნელად – ლაბორატორიული ცდებიდან უწყვეტი წარმოების მასშტაბამდე.

პარაფინის სანთლების წარმოების გაუმჯობესება ულტრაბგერითი ემულსიფიკაციის გზით

პარაფინის ცვილი რჩება სანთლების წარმოებაში ყველაზე ფართოდ გამოყენებულ საწყის მასალებს შორის ერთ-ერთად. თუმცა, ცვილის ფასების ცვალებადობამ, მარჟებზე ზრდადმა ზეწოლამ და რესურსეფექტური წარმოების საჭიროებამ გამოიწვია ძლიერი ინტერესი ტექნოლოგიების მიმართ, რომლებიც ამცირებენ პარაფინის გამოყენებას პროცესის სანდოობის შელახვის გარეშე. ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია საშუალებას გვაძლევს შევურიოთ წყალი გამდნარ პარაფინის ცვილში, რითაც იქმნება სტაბილური ცვილის ემულსიები.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებით, წვრილად გადანაწილებული წყლის წვეთები შეიძლება ჩაშენდეს ცვილის ფაზაში, რითაც მიიღება სტაბილური წყალი-პარაფინში ემულსია. როდესაც მაქსიმუმ 10% წყალი ემულსიფიცირდება პარაფინის ცვილში, მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ თითო სანთელზე საჭირო პარაფინის რაოდენობა, რითაც მიიღწევა პირდაპირი მასალის დაზოგვის ეფექტი. მაღალი მოცულობის მწარმოებლებისთვის, ცვილის მოხმარების მცირე პროცენტული შემცირებაც კი შეიძლება გადაიქცეს მნიშვნელოვან წლიურ ფულად დაზოგვად.

რატომ არის ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია იდეალური პარაფინის ცვილისთვის

წყალი და პარაფინის ცვილი ბუნებრივად ერთმანეთში არ ირევა. ტრადიციული შერევის მეთოდები ხშირად ვერ ახერხებენ წყლის წვრილ და ერთგვაროვან გადანაწილებას გამდნარ ცვილში, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც საჭიროა წვეთების მუდმივი ზომა, პროცესის გამეორებადობა და სამრეწველო გამტარუნარიანობა. ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია ამ პრობლემას წყვეტს აკუსტიკური კავიტაციის საშუალებით.
ულტრაბგერითი დამუშავების დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა ქმნის მიკროსკოპულ კავიტაციურ ბუშტუკებს თხევად გარემოში. მათი კოლაფსი წარმოქმნის ლოკალურად მოქმედ ძლიერ ძვრის ძალებს, ტურბულენტობასა და ინტენსიური შერევის ენერგიას. Hielscher აღწერს ულტრაბგერით ემულსიფიკატორებს, როგორც მოწყობილობებს, რომლებიც იყენებენ აკუსტიკურ კავიტაციას ერთმანეთში შეურევადი სითხეების ძალიან მცირე წვეთებად დასაშლელად და მათ ერთგვაროვნად გასანაწილებლად.
სანთლების ცვილის დამუშავებისთვის ეს ნიშნავს, რომ წყალი შეიძლება ბევრად უფრო ეფექტურად გადანაწილდეს გამდნარ პარაფინში, ვიდრე მრავალი როტორ-სტატორული შემრევის ან დაბალი ძვრის ძალის მქონე შემრევის გამოყენებით. მიღებული ემულსია შეიძლება უზრუნველყოფდეს:

• წყლის წვეთების წვრილი გადანაწილება გამდნარ ცვილის ფაზაში
• გაუმჯობესებული ერთგვაროვნება სანთლის ფორმულირებაში
• პარაფინის გამოყენების შემცირება ცვილის მოცულობის ნაწილის წყლით ჩანაცვლებით
• პარტიების შედეგების უკეთესი გამეორებადობა ულტრაბგერის კონტროლირებადი პარამეტრების წყალობით
• ეფექტური ნაკადური დამუშავება სანთლების უწყვეტი წარმოების ხაზებისთვის

პარაფინის დაზოგვა მაქსიმუმ 10% წყლის ემულსიფიკაციით

ეკონომიკური მოტივი მარტივია: პარაფინის ცვილი ძვირადღირებული საბაზისო მასალაა, ხოლო წყალი იაფი და ადვილად ხელმისაწვდომია. ულტრაბგერითი დამუშავების გზით ცვილის მატრიცაში მაქსიმუმ 10% წყლის შეტანით სანთლების მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ პარაფინის მოხმარება პროდუქციის ერთეულზე.
მაგალითად, წარმოების სცენარში, რომელიც იყენებს 1 000 კგ სანთლის ცვილის ფორმულაციას, პარაფინის ფაზის 10%-ის ემულსირებული წყლით ჩანაცვლება შეიძლება შეამციროს პარაფინის მოთხოვნა მაქსიმუმ 100 კგ-ით, ფორმულაციის დიზაინისა და საბოლოო პროდუქტის სპეციფიკაციების შესაბამისად. ინდუსტრიულ მასშტაბში, ეს შეიძლება წარმოადგენდეს მნიშვნელოვან დანახარჯების შემცირებას საბაზისო მასალების შეძენაში, შენახვასა და ლოგისტიკაში.
მთავარი არა მხოლოდ წყლის დამატებაა, არამედ მისი სწორად ემულსირება. ცუდად დისპერგირებული წყალი შეიძლება გამოიყოს, გამოიწვიოს დეფექტები ან შეაფერხოს დამუშავება. ულტრაბგერითი ემულსირება ქმნის წვრილი წვეთების სტრუქტურას, რომელიც საჭიროა გამდნარი ცვილის ფაზაში წყლის სტაბილურად შესატანად. Hielscher განსაკუთრებით გამოყოფს ზონდური ტიპის სონიკატორებს ულტრაბგერით გამდინარე კამერებთან კომბინაციაში, როგორც ეფექტურ მიდგომას პარაფინის ცვილის ემულსირებისთვის, რაც აუმჯობესებს ეფექტურობას, ერთგვაროვნებას, მასშტაბირებადობასა და ხარისხის სტაბილურობას.

ულტრაბგერითი დამუშავება ამცირებს პარაფინის ცვილის წვეთებს 160nm-მდე გრძელვადიანი სტაბილურობით

Jadhav et al. (2015)-ის სამეცნიერო კვლევა აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი ემულსირება ეფექტური გზაა წყალში პარაფინის ცვილის სტაბილური ნანოემულსიების მისაღებად და ემულსიის ინვერსიის ტრადიციული მეთოდებისთვის დამახასიათებელი არასტაბილურობის დასაძლევად. წყლისა და პარაფინის 80:20 თანაფარდობით ემულსიის მომზადებისას მათ ოპტიმიზაცია გაუკეთეს პროცესის ძირითად ცვლადებს – ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაციას, გამოყენებულ ულტრაბგერით სიმძლავრესა და ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობას. პროცესის ოპტიმიზებულ პირობებში მკვლევარებმა მიიღეს დაახლოებით 160,9 nm ზომის პარაფინის ცვილის წვეთები 10 mg/mL SDS-ის, 40% გამოყენებული სიმძლავრის, რაც შეესაბამება 0,61 W/mL-ს, და 15 წუთის ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით. ნაშრომი აჩვენებს, რომ აკუსტიკური კავიტაცია ფიზიკურად შლის გამდნარ პარაფინს ნანოზომის წვეთებად, ხოლო SDS სწრაფად ასტაბილურებს ახლად წარმოქმნილ ფაზათაშორის ზედაპირს; DSC-მ და FTIR-მა დაადასტურა, რომ პარაფინის ცვილი ქიმიურად არ შეცვლილა ულტრაბგერითი დამუშავების დროს. მიღებული წვეთები იყო მყარი, სფერული, SDS-ის ადსორბციის გამო უარყოფითად დამუხტული და სამ თვეზე მეტი ხნის განმავლობაში სტაბილური, მაშინ როცა ემულსიის ინვერსიის წერტილის მეთოდით მომზადებულ ემულსიებში 30 წუთის განმავლობაში ზედაპირზე წარმოიქმნებოდა კონცენტრირებული ფენა ან ხდებოდა ფაზების განცალკევება. მთლიანობაში, მიღწევა მდგომარეობს იმის დადასტურებაში, რომ ულტრაბგერითი დამუშავებით შესაძლებელია წვრილდისპერსიული, სტაბილური, დაბალი ენერგიის პარაფინის ცვილის ნანოემულსიების მიღება, რომლებსაც ახასიათებს წვეთების კონტროლირებადი ზომა, მაღალი ფიზიკური სტაბილურობა და ცვილზე დაფუძნებული ფორმულაციების მასშტაბირებისთვის აშკარა პოტენციალი.

SEM სურათები ულტრაბგერით მომზადებული პარაფინის ცვილის ემულსიის შესახებ (a) 5000 , (b) 20 000
კვლევა და სურათი: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher სონიკატორები წყალი-ცვილში ემულსიებისთვის

Hielscher Ultrasonics აწარმოებს ზონდური ტიპის სონიკატორებს სითხეების ლაბორატორიული, საპილოტე და სამრეწველო დამუშავებისთვის. მისი ულტრაბგერითი სისტემები გამოიყენება ისეთი ამოცანებისთვის, როგორიცაა ემულსირება, ჰომოგენიზაცია, დისპერგირება, ნაწილაკების ზომის შემცირება, ექსტრაქცია და ქიმიური დამუშავება.
სანთლების წარმოებისთვის მთავარი უპირატესობა პროცესის კონტროლია. Hielscher-ის სონიკატორები ოპერატორებს საშუალებას აძლევს განსაზღვრონ და კვლავ ზუსტად გაიმეორონ ულტრაბგერითი დამუშავების ძირითადი პარამეტრები, მათ შორის ამპლიტუდა, მიწოდებული ენერგია, ტემპერატურა, წნევა, მოცულობითი ხარჯი და დაყოვნების დრო. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია გამდნარი პარაფინის ცვილისთვის, რადგან სიბლანტე და ტემპერატურა მნიშვნელოვნად მოქმედებს ემულსირების ხარისხზე.

ულტრაბგერით წარმოებული ნანო-ემულსია

ტიპური იმპლემენტაციის ვარიანტები მოიცავს:

1. პარტიული ულტრაბგერითი დამუშავება ფორმულაციის შესამუშავებლად, მცირე წარმოების პარტიებისთვის ან სპეციალური სანთლებისთვის
2. ნაკადური ულტრაბგერითი დამუშავება გამდინარე კამერებით ცვილის უწყვეტი დამუშავებისთვის
3. წნევის ქვეშ მუშაობის შესაძლებლობის მქონე რეაქტორები კავიტაციის ინტენსივობის გასაზრდელად და კონტროლირებადი დამუშავებისთვის
4. საყრდენზე დამონტაჟებული სისტემები არსებულ სამრეწველო სანთლის წარმოების ხაზებში ინტეგრაციისთვის

Hielscher-ის სამრეწველო პორტფელი მოიცავს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით პროცესორებს, როგორიცაა UIP4000hdT, რომელიც უზრუნველყოფს მაქსიმუმ 4 kW ულტრაბგერით სიმძლავრეს მოთხოვნადი სამრეწველო სითხის დამუშავების ამოცანებისთვის, მათ შორის ჰომოგენიზაციისთვის, ემულსიფიკაციისთვის, დისპერგირებისთვის და ნაწილაკების წვრილი დაფქვისთვის. უფრო დიდი წარმოების სიმძლავრეებისთვის Hielscher სთავაზობს სისტემებს, როგორიცაა UIP16000, 16 kW სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორი, რომელიც შექმნილია მაღალი მოცულობის ინლაინ დამუშავებისა და წარმოების გარემოში ინტეგრაციისთვის.
რამდენიმე სონიკატორის პარალელურად დაჯგუფება საშუალებას იძლევა უზრუნველყოფილი იყოს რეზერვირება და ეტაპობრივი მასშტაბირება ზრდადი მოთხოვნისა და ბიზნესის ექსპანსიის პირობებში.

სამრეწველო მნიშვნელობა სანთლის მწარმოებლებისთვის

სანთლების ინდუსტრია ხარჯების შემცირების ძლიერი ზეწოლის პირობებში მუშაობს, განსაკუთრებით ჩაის სანთლების, სვეტისებრი სანთლების, ვოტიური სანთლების, კონტეინერული სანთლებისა და დეკორატიული სანთლების მასობრივი ბაზრისთვის წარმოებისას. პარაფინის ცვილის ფასების ცვალებადობა პირდაპირ აისახება მომგებიანობაზე. ცვილში წყლის ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია მწარმოებლებს სთავაზობს პრაქტიკულ გზას ცვილის მოხმარების შესამცირებლად, მასშტაბირებადი და კონტროლირებადი წარმოების პროცესის შენარჩუნებით.

სამრეწველო მნიშვნელობა განსაკუთრებით მაღალია იქ, სადაც მწარმოებლებს ესაჭიროებათ:

• დიდი მოცულობით წარმოება ცვილის ერთგვაროვანი ხარისხით
• პარაფინის მოხმარების შემცირება თითო სანთელზე
• უწყვეტი ინლაინ დამუშავება მხოლოდ პარტიული შერევის ნაცვლად
• საიმედო პროცესის გადატანა R&D-დან წარმოებაში
• ემულსიის ხარისხის ზუსტი კონტროლი
• ინტეგრაცია არსებულ დნობის, დოზირებისა და ჩამოსხმის ხაზებში

ტექნოლოგია ასევე მიმზიდველია მწარმოებლებისთვის, რომლებიც შეიმუშავებენ სანთლის ახალ, ხარჯების მხრივ ოპტიმიზებულ ფორმულაციებს. წყლის შემცველობის, ემულგატორის სისტემის, ცვილის ტემპერატურისა და მიწოდებული ულტრაბგერითი ენერგიის რეგულირებით მწარმოებლებს შეუძლიათ ფორმულაცია მოარგონ სანთლის სასურველ გეომეტრიას, წვის მახასიათებლებს, ზედაპირის ხარისხსა და წარმოების მეთოდს.
როგორც ნებისმიერი სანთლის ფორმულაციის ცვლილების შემთხვევაში, მწარმოებლებმა უნდა დაადასტურონ დაწვის ეფექტურობა, გარეგნობა, სტაბილურობა, უსაფრთხოება, სუნის თანხვედრა და შენახვის ქცევა საკუთარი წარმოების პირობებში. თუმცა, ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია უზრუნველყოფს დამუშავების ინტენსივობასა და გამეორებადობას, რომელიც აუცილებელია მსგავსი ფორმულაციის შემუშავების ტექნიკურად შესაძლებელი გასახდელად სამრეწველო მასშტაბით.

ულტრაბგერითი დამუშავება, როგორც კონკურენტული უპირატესობა ცვილის ემულსიებში

სანთლის მწარმოებლებისთვის, ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია მეტია ვიდრე შერევის მეთოდი. ეს არის პროცესის ინტენსიფიკაციის ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია შეამციროს საწყისი მასალების ხარჯები, გააუმჯობესოს ფორმულაციის მოქნილობა და დაუჭიროს მხარი მასშტაბირებად წარმოებას.
Hielscher-ის სონიკატორები შექმნილია სწორედ სითხეების დამუშავების ამგვარი რთული ამოცანებისთვის. დამდნარ პარაფინზე ლაბორატორიული ცდებიდან სამრეწველო წარმოებაში უწყვეტ ინლაინ ემულსიფიკაციამდე, Hielscher-ის ულტრაბგერითი სისტემები უზრუნველყოფენ სიმძლავრეს, კონტროლსა და მასშტაბირებადობას, რომლებიც აუცილებელია სანთლის ცვილის ემულსიებისთვის ტიპით წყალი პარაფინში.
ულტრაბგერითი კავიტაციის გამოყენებით პარაფინის ცვილში მაქსიმუმ 10% წყლის შეტანით სანთლის მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ დამოკიდებულება ძვირადღირებულ პარაფინზე და ამავდროულად შეინარჩუნონ ცვილის კონტროლირებადი, ჰომოგენური ფორმულაცია. სანთლის სამრეწველო წარმოებისთვის ეს ქმნის აშკარა ეკონომიკურ და ოპერაციულ უპირატესობას: მასალების დაბალ ხარჯებს, განმეორებად ხარისხსა და პირდაპირ გზას ლაბორატორიული მასშტაბის ფორმულაციიდან სრულმასშტაბიან წარმოებამდე.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო წარმადობის შესახებ:

ულტრაბგერით მიღებული ცვილის ემულსიები: წრფივი მასშტაბირება ლაბორატორიიდან სამრეწველო წარმოებამდე

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ტექნოლოგიის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობაა წრფივი მასშტაბირება. სანთლის მწარმოებლებს შეუძლიათ დაიწყონ მცირე მასშტაბის ცდებით ტექნიკური განხორციელებადობის შესაფასებლად, მოახდინონ წყლის პარაფინში ემულსიის ფორმულაციის ოპტიმიზაცია და შემდეგ გადაიტანონ პროცესის პარამეტრები უფრო დიდ სისტემებზე.
ბევრი ტრადიციული შერევის ტექნოლოგიისგან განსხვავებით, რომელთა მასშტაბირებასაც შეიძლება მნიშვნელოვანი კონსტრუქციული ცვლილებები და გაურკვეველი კორექტირებები დასჭირდეს, ულტრაბგერითი მასშტაბირება ეფუძნება პროცესის განმეორებად პარამეტრებს. როდესაც ცნობილია საჭირო კუთრი ენერგიის მიწოდება, ამპლიტუდა, ტემპერატურა, წნევა და დაყოვნების დრო (ნაკადის სიჩქარე), პროცესის მასშტაბი შეიძლება გაიზარდოს ულტრაბგერითი სიმძლავრისა და წარმადობის გაზრდით ან რამდენიმე ულტრაბგერითი აპარატის პარალელური მუშაობით.
ეს მიდგომა განსაკუთრებით ღირებულია სანთლის მწარმოებლებისთვის, რადგან ის ამცირებს შემუშავების რისკს. ლაბორატორიულ ან მაგიდის სონიკატორზე შემუშავებული ფორმულაცია შეიძლება შემოწმდეს საპილოტე აპარატურაზე და შემდეგ გადავიდეს სრულმასშტაბიან სამრეწველო წარმოებაში. Hielscher აღნიშნავს, რომ მაგიდის ჰომოგენიზატორები შეიძლება გამოიყენებოდეს გამოყენების შესაძლებლობების კვლევისთვის, მასშტაბირების სამუშაოებისთვის, საპილოტე კვლევებისთვის, პროცესის ოპტიმიზაციისა და მცირე პარტიების დამუშავებისთვის, ხოლო 4-დან 16 kW-მდე მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ზონდები ხელმისაწვდომია დიდი მოცულობის ინლაინ ან პარტიული დამუშავებისთვის.
დიდ საწარმოებში რამდენიმე ულტრაბგერითი პროცესორის გაერთიანება საშუალებას იძლევა მიღწეულ იქნეს ძალიან მაღალი წარმადობა თითოეულ რეაქტორში ერთნაირი კავიტაციის პირობების შენარჩუნებით. ეს მოდულური კონცეფცია უზრუნველყოფს საწარმოო სიმძლავრის საიმედო გაფართოებას პროდუქტის ერთგვაროვნების დაკარგვის გარეშე.

დიზაინი, წარმოება და კონსალტინგი – ხარისხი, დამზადებული გერმანიაში

Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები ცნობილია თავიანთი უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. მკაცრი პირობები და მოთხოვნადი გარემო Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატებისთვის მარტივად მართვადია.

Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ მნიშვნელობას ანიჭებს მაღალი ეფექტურობის ულტრაბგერით აპარატებს, რომლებიც გამოირჩევიან თანამედროვე ტექნოლოგიითა და მოხმარების სიმარტივით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები შეესაბამება CE მოთხოვნებს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs სტანდარტების მოთხოვნებს.

ლიტერატურა / რეფერენსები

• 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.