Ūdens emulsijas parafīna vaskā: izmaksu ziņā efektīva sveču ražošana ar ultraskaņu

Emulģēšana ar ultraskaņu ir jaudīga apstrādes tehnoloģija sveču ražotājiem, kuri vēlas samazināt parafīna patēriņu, uzlabot sastāva kontroli un efektīvi palielināt ražošanas mērogu. Disperģējot izkausētā parafīna vaskā līdz 10% ūdens, sveču ražotāji var samazināt izejvielu izmaksas, vienlaikus saglabājot viendabīgu vaska fāzi, kas piemērota rūpnieciskai sveču ražošanai. Hielscher zondes tipa sonikatori nodrošina augstas intensitātes kavitāciju, kas nepieciešama smalku, viendabīgu ūdens emulsiju veidošanai vaskā – no laboratorijas izmēģinājumiem līdz nepārtrauktai ražošanai rūpnieciskā mērogā.

Uzlabojiet parafīna sveču ražošanu ar emulģēšanu ar ultraskaņu

Parafīna vasks joprojām ir viena no visplašāk izmantotajām izejvielām sveču ražošanā. Tomēr svārstīgās vaska cenas, pieaugošais spiediens uz peļņas maržām un nepieciešamība ražošanā efektīvāk izmantot resursus ir radījusi lielu interesi par tehnoloģijām, kas samazina parafīna patēriņu, neapdraudot procesa uzticamību. Emulģēšana ar ultraskaņu ļauj iejaukt ūdeni izkausētā parafīna vaskā, veidojot stabilas vaska emulsijas.
Izmantojot lielas jaudas ultraskaņu, vaska fāzē var iestrādāt smalki disperģētus ūdens pilienus, iegūstot stabilu ūdens emulsiju parafīnā. Emulģējot parafīna vaskā līdz 10% ūdens, ražotāji var samazināt vienai svecei nepieciešamo parafīna daudzumu, tieši ietaupot materiālu. Lielu ražošanas apjomu gadījumā pat neliels vaska patēriņa samazinājums procentuālā izteiksmē var nodrošināt ievērojamu ikgadēju izmaksu ietaupījumu.

Kāpēc emulģēšana ar ultraskaņu ir ideāli piemērota parafīna vaskam

Ūdens un parafīna vasks pēc savas būtības ir savstarpēji nesajaucami. Ar parastajām maisīšanas metodēm bieži ir grūti smalki un vienmērīgi disperģēt ūdeni izkausētā vaskā, īpaši tad, ja nepieciešams vienmērīgs pilienu izmērs, procesa reproducējamība un rūpniecisks ražīgums. Emulģēšana ar ultraskaņu atrisina šo problēmu ar akustiskās kavitācijas palīdzību.
Apstrādes laikā augstas intensitātes ultraskaņa šķidrajā vidē rada mikroskopiskus kavitācijas burbuļus. To sabrukšana lokāli rada lielus bīdes spēkus, turbulenci un intensīvu maisīšanas enerģiju. Hielscher apraksta ultraskaņas emulgatorus kā ierīces, kas izmanto akustisko kavitāciju, lai sadalītu savstarpēji nesajaucamus šķidrumus ļoti sīkos pilienos un tos vienmērīgi izkliedētu.
Sveču vaska apstrādē tas nozīmē, ka ūdeni izkausētā parafīnā var disperģēt daudz efektīvāk nekā ar daudziem rotora–statora maisītājiem vai maisītājiem ar mazu bīdes iedarbību. Iegūtā emulsija var nodrošināt:

• Smalku ūdens pilienu sadalījumu izkausētā vaska fāzē
• Uzlabotu viendabīgumu visā sveču maisījumā
• Samazinātu parafīna patēriņu, aizstājot daļu vaska tilpuma ar ūdeni
• Labāku partiju reproducējamību, pateicoties kontrolējamiem ultraskaņas parametriem
• Efektīvu apstrādi plūsmā nepārtrauktas sveču ražošanas līnijās

Parafīna ietaupīšana, emulģējot līdz 10% ūdens

Ekonomiskais pamatojums ir vienkāršs: parafīna vasks ir dārgs pamatmateriāls, savukārt ūdens ir lēts un viegli pieejams. Ar ultraskaņu iestrādājot vaska matricā līdz 10% ūdens, sveču ražotāji var samazināt parafīna patēriņu uz vienu produkcijas vienību.
Piemēram, ražošanas scenārijā, kurā izmanto 1 000 kg sveču vaska sastāva, aizstājot 10% parafīna fāzes ar emulģētu ūdeni, var samazināt nepieciešamo parafīna daudzumu līdz pat 100 kg atkarībā no izstrādātā sastāva un galaprodukta specifikācijām. Rūpnieciskā mērogā tas var radīt ievērojamus ietaupījumus izejvielu iegādē, uzglabāšanā un loģistikā.
Galvenais ir nevis vienkārši pievienot ūdeni, bet gan to pienācīgi emulģēt. Slikti disperģēts ūdens var atdalīties, izraisīt defektus vai traucēt apstrādi. Emulģēšana ar ultraskaņu rada smalku pilienu struktūru, kas nepieciešama stabilai ūdens iestrādāšanai izkausētā vaska fāzē. Hielscher īpaši izceļ zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīču kombinēšanu ar ultraskaņas plūsmas šūnām kā efektīvu pieeju parafīna vaska emulģēšanai, uzlabojot efektivitāti, viendabīgumu, mērogojamību un kvalitātes nemainīgumu.

Apstrāde ar ultraskaņu samazina parafīna vaska pilienu izmēru līdz 160nm, nodrošinot ilgstošu stabilitāti

Jadhav et al. (2015) zinātniskais pētījums parāda, ka emulģēšana ar ultraskaņas palīdzību ir efektīvs veids, kā iegūt stabilas parafīna vaska nanoemulsijas ūdenī, pārvarot nestabilitāti, kas raksturīga tradicionālajām emulsijas inversijas metodēm. Gatavojot emulsiju ar ūdens un parafīna attiecību 80:20, pētnieki optimizēja galvenos procesa mainīgos lielumus – virsmaktīvās vielas koncentrāciju, pielikto ultraskaņas jaudu un apstrādes ar ultraskaņu ilgumu. Optimizētos procesa apstākļos pētnieki ieguva aptuveni 160,9 nm lielus parafīna vaska pilienus, izmantojot 10 mg/mL SDS, 40% pielikto jaudu, kas atbilst 0,61 W/mL, un 15 minūšu apstrādi ar ultraskaņu. Pētījums parāda, ka akustiskā kavitācija fiziski sadala izkausētu parafīnu nanometru mēroga pilienos, savukārt SDS ātri stabilizē jaunizveidoto fāžu robežvirsmu; DSC un FTIR apstiprināja, ka apstrādes ar ultraskaņu laikā parafīna vasks netika ķīmiski pārveidots. Iegūtie pilieni bija cieti, sfēriski, SDS adsorbcijas dēļ negatīvi lādēti un stabili ilgāk nekā trīs mēnešus, savukārt emulsijās, kas sagatavotas ar emulsijas inversijas punkta metodi, 30 minūšu laikā notika krēmošanās vai fāžu atdalīšanās. Kopumā sasniegums ir pierādījums tam, ka apstrāde ar ultraskaņu ļauj ar zemu enerģijas patēriņu iegūt smalkas, stabilas parafīna vaska nanoemulsijas ar kontrolētu pilienu izmēru, augstu fizikālo stabilitāti un skaidru potenciālu uz vaska bāzes veidotu sastāvu ražošanas mērogošanai.
 

Ar ultraskaņu sagatavotas parafīna vaska emulsijas SEM attēli (a) 5000 , (b) 20 000 palielinājumā
Pētījums un attēls: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ūdens emulsijām vaskā

Hielscher Ultrasonics ražo zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces šķidrumu apstrādei laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskā mērogā. Uzņēmuma ultraskaņas sistēmas izmanto tādiem lietojumiem kā emulģēšana, homogenizēšana, disperģēšana, daļiņu izmēra samazināšana, ekstrakcija un ķīmiskā apstrāde.
Sveču ražošanā galvenā priekšrocība ir procesa kontrole. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ļauj operatoriem noteikt un reproducēt galvenos apstrādes ar ultraskaņu parametrus, tostarp amplitūdu, ievadīto enerģiju, temperatūru, spiedienu, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku. Tas ir īpaši svarīgi izkausēta parafīna vaska apstrādē, kur viskozitāte un temperatūra būtiski ietekmē emulģēšanas kvalitāti.

Ar ultraskaņu iegūta nanoemulsija

Tipiski ieviešanas varianti ietver:

1. Apstrādi ar ultraskaņu partiju režīmā sastāva izstrādei, nelielām ražošanas partijām vai īpaša veida svecēm
2. Apstrādi ar ultraskaņu plūsmas režīmā, izmantojot plūsmas šūnas nepārtrauktai vaska apstrādei
3. Reaktorus, kuros var paaugstināt spiedienu, lai palielinātu kavitācijas intensitāti un nodrošinātu kontrolētu apstrādi
4. Uz atbalsta rāmja uzstādītas sistēmas integrēšanai esošajās rūpnieciskajās sveču ražošanas līnijās

Hielscher rūpniecisko iekārtu klāstā ir lieljaudas ultraskaņas procesori, piemēram, UIP4000hdT, kas nodrošina līdz 4 kW ultraskaņas jaudu sarežģītiem rūpnieciskiem šķidrumu apstrādes uzdevumiem, tostarp homogenizēšanai, emulģēšanai, disperģēšanai un daļiņu smalkai malšanai. Lielākām ražošanas jaudām Hielscher piedāvā tādas sistēmas kā UIP16000 – 16 kW rūpniecisko ultraskaņas procesoru, kas paredzēts liela apjoma apstrādei plūsmā un integrēšanai ražošanas vidē.
Vairāku ultraskaņas apstrādes iekārtu paralēla apvienošana grupā nodrošina rezervēšanu un pakāpenisku mēroga palielināšanu, pieaugot pieprasījumam un paplašinoties uzņēmējdarbībai.

Nozīme sveču rūpnieciskajā ražošanā

Sveču rūpniecība darbojas spēcīga izmaksu spiediena apstākļos, īpaši ražojot masu tirgum tējas sveces, stabsveces, votīvsveces, sveces traukos un dekoratīvās sveces. Parafīna vaska cenu svārstības tieši ietekmē rentabilitāti. Ūdens emulģēšana vaskā ar ultraskaņu sniedz ražotājiem praktisku iespēju samazināt vaska patēriņu, vienlaikus saglabājot mērogojamu un kontrolējamu ražošanas procesu.

Šī tehnoloģija ir īpaši nozīmīga rūpnieciskajā ražošanā, ja ražotājiem nepieciešama:

• Liela apjoma ražošana ar nemainīgu vaska kvalitāti
• Mazāka parafīna patēriņa nodrošināšana katrai svecei
• Nepārtraukta apstrāde plūsmā, aizstājot tikai periodisku sajaukšanu
• Uzticama procesa pārnese no pētniecības un izstrādes uz ražošanu
• Precīza emulsijas kvalitātes kontrole
• Integrācija esošajās kausēšanas, dozēšanas un liešanas līnijās

Tehnoloģija ir pievilcīga arī ražotājiem, kuri izstrādā jaunus sveču sastāvus ar optimizētām izmaksām. Pielāgojot ūdens saturu, emulgatoru sistēmu, vaska temperatūru un ievadītās ultraskaņas enerģijas daudzumu, ražotāji var pielāgot sastāvu vēlamajai sveces ģeometrijai, degšanas īpašībām, virsmas apdarei un ražošanas metodei.
Tāpat kā jebkuru sveču sastāva izmaiņu gadījumā, ražotājiem savos ražošanas apstākļos jāpārbauda degšanas rādītāji, izskats, stabilitāte, drošums, saderība ar smaržvielām un īpašības uzglabāšanas laikā. Tomēr emulģēšana ar ultraskaņu nodrošina apstrādes intensitāti un reproducējamību, kas nepieciešama, lai šādu sastāvu izstrāde būtu tehniski īstenojama rūpnieciskā mērogā.

Apstrāde ar ultraskaņu kā konkurences priekšrocība vaska emulsiju ražošanā

Sveču ražotājiem emulģēšana ar ultraskaņu ir kas vairāk par sajaukšanas metodi. Tā ir procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas var samazināt izejvielu izmaksas, palielināt sastāvu pielāgošanas iespējas un veicināt mērogojamu ražošanu.
Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir paredzētas tieši šādiem sarežģītiem šķidrumu apstrādes uzdevumiem. No laboratorijas izmēģinājumiem ar izkausētu parafīnu līdz nepārtrauktai emulģēšanai plūsmā rūpnieciskajā ražošanā – Hielscher ultraskaņas sistēmas nodrošina jaudu, kontroli un mērogojamību, kas nepieciešama ūdens emulsijām parafīna sveču vaskā.
Izmantojot ultraskaņas kavitāciju, lai parafīna vaskā iestrādātu līdz 10% ūdens, sveču ražotāji var samazināt atkarību no dārga parafīna, vienlaikus saglabājot kontrolētu, viendabīgu vaska sastāvu. Rūpnieciskajā sveču ražošanā tas rada skaidru ekonomisku un darbības priekšrocību: zemākas materiālu izmaksas, reproducējamu kvalitāti un tiešu pāreju no sastāva izstrādes laboratorijas mērogā uz pilna mēroga ražošanu.

 
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Vaska emulsijas ar ultraskaņu: lineāra mēroga palielināšana no laboratorijas līdz rūpnieciskai ražošanai

Viena no galvenajām Hielscher ultraskaņas tehnoloģijas priekšrocībām ir lineāra mēroga palielināšana. Sveču ražotāji var sākt ar īstenojamības pārbaudēm nelielā mērogā, optimizēt ūdens parafīnā sastāvu un pēc tam pārnest procesa parametrus uz lielākām sistēmām.
Atšķirībā no daudzām tradicionālajām maisīšanas tehnoloģijām, kuru mēroga palielināšanai var būt nepieciešamas būtiskas konstrukcijas izmaiņas un pielāgojumi ar nenoteiktu rezultātu, ultraskaņas apstrādes mēroga palielināšana balstās uz reproducējamiem procesa parametriem. Kad ir zināma nepieciešamā īpatnējā ievadītā enerģija, amplitūda, temperatūra, spiediens un uzturēšanās laiks (plūsmas ātrums), procesa mērogu var palielināt, palielinot ultraskaņas jaudu un ražīgumu vai paralēli darbinot vairākas ultraskaņas iekārtas.
Šī pieeja ir īpaši vērtīga sveču ražotājiem, jo tā samazina izstrādes risku. Sastāvu, kas izstrādāts ar laboratorijas vai uz laboratorijas galda novietojamu ultraskaņas apstrādes iekārtu, var validēt pilotiekārtā un pēc tam pārnest uz pilna mēroga rūpniecisko ražošanu. Hielscher norāda, ka uz laboratorijas galda novietojamus homogenizatorus var izmantot lietojumu izpētei, mēroga palielināšanas darbiem, pilotpētījumiem, procesa optimizācijai un mazāku partiju apstrādei, savukārt lieljaudas ultraskaņas zondes ar jaudu no 4 līdz 16 kW ir pieejamas lielu apjomu apstrādei plūsmā vai partijās.
Lielās ražotnēs vairāku ultraskaņas procesoru apvienošana grupā nodrošina ļoti augstu ražīgumu, vienlaikus saglabājot vienādus kavitācijas apstākļus katrā reaktorā. Šī modulārā koncepcija nodrošina uzticamu ražošanas jaudas palielināšanu, saglabājot nemainīgu produkta kvalitāti.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir labi pazīstamas ar saviem visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtas bez sarežģījumiem integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Literatūra / Atsauces

• 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.