Vasku emulsijas ar ūdeni parafīnā: rentabla sveču ražošana, izmantojot ultraskaņu

Ultraskaņas emulgēšana ir efektīva apstrādes tehnoloģija sveču ražotājiem, kuri vēlas samazināt parafīna patēriņu, uzlabot sastāva kontroli un efektīvi palielināt ražošanas apjomus. Iekļaujot līdz pat 10 % ūdens izkausētā parafīna vasā, sveču ražotāji var samazināt izejvielu izmaksas, vienlaikus saglabājot viendabīgu vaska fāzi, kas piemērota rūpnieciskai sveču ražošanai. Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas nodrošina augstas intensitātes kavitāciju, kas nepieciešama, lai radītu smalkas, viendabīgas ūdens-vaska emulsijas. – no laboratorijas izmēģinājumiem līdz nepārtrauktai ražošanai lielā apjomā.

Parafīna svecīšu ražošanas uzlabošana, izmantojot ultraskaņas emulsifikāciju

Parafīna vasks joprojām ir viena no visplašāk izmantotajām izejvielām svecīšu ražošanā. Tomēr svārstīgās vaska cenas, pieaugošais spiediens uz peļņas normu un nepieciešamība pēc resursu ziņā efektīvākas ražošanas ir radījusi lielu interesi par tehnoloģijām, kas samazina parafīna patēriņu, neietekmējot procesa uzticamību. Ultraskaņas emulgēšana ļauj sajaukt ūdeni ar izkausētu parafīna vasku, radot stabilas vaska emulsijas.
Izmantojot augstas jaudas ultraskaņu, vaska fāzē var iekļaut smalki izkliedētus ūdens pilieniņus, tādējādi iegūstot stabilu „ūdens parafīnā” emulsiju. Kad parafīna vasā tiek emulgēts līdz pat 10 % ūdens, ražotāji var samazināt vienai svecītei nepieciešamo parafīna daudzumu, tādējādi tieši ietaupot materiālus. Liela apjoma ražotājiem pat neliels vaska patēriņa samazinājums procentos var nozīmēt ievērojamus ikgadējos izmaksu ietaupījumus.

Kāpēc ultraskaņas emulsifikācija ir ideāli piemērota parafīna vaska apstrādei

Ūdens un parafīna vasks dabīgi nesajaucas. Izmantojot tradicionālās sajaukšanas metodes, bieži rodas grūtības ūdeni smalki un vienmērīgi izkliedēt izkausētā vaskā, it īpaši gadījumos, kad nepieciešams nodrošināt vienādu pilienu izmēru, procesa atkārtojamību un rūpniecisko ražīgumu. Ultraskaņas emulgēšana atrisina šo problēmu, izmantojot akustisko kavitāciju.
Ultraskaņas apstrādes laikā augstas intensitātes ultraskaņa šķidrajā vidē rada mikroskopiskus kavitācijas burbuļus. To sabrukums rada lokalizētas lielas šķēres spēkas, turbulenci un intensīvu sajaukšanas enerģiju. Hielscher apraksta ultraskaņas emulgatorus kā ierīces, kas izmanto akustisko kavitāciju, lai nesajaucamos šķidrumus sadalītu ļoti mazos pilieniņos un vienmērīgi izkliedētu.
Sveču vaska apstrādē tas nozīmē, ka ūdeni var daudz efektīvāk izkliedēt izkausētā parafīnā nekā, izmantojot daudzus rotora-statora maisītājus vai maisītājus ar zemu griezes spēku. Rezultātā iegūtā emulsija var nodrošināt:

• Smalko ūdens pilieniņu sadalījums izkausētā vaska fāzē
• Uzlabota sastāva viendabība visā sveces sastāvā
• Samazināts parafīna patēriņš, daļu vaska apjoma aizstājot ar ūdeni
• Labāk reproducējamas partijas, pateicoties kontrolējamiem ultraskaņas parametriem
• Efektīva integrētā apstrāde nepārtrauktas svecīšu ražošanas līnijām

Parafīna ietaupīšana, emulgējot līdz 10 % ūdens

Ekonomiskais pamatojums ir vienkāršs: parafīna vasks ir dārgs izejmateriāls, savukārt ūdens ir lēts un viegli pieejams. Ar ultraskaņas palīdzību iekļaujot vaska matricā līdz pat 10 % ūdens, svecīšu ražotāji var samazināt parafīna patēriņu uz vienu vienību.
Piemēram, ražošanas scenārijā, kurā tiek izmantots 1 000 kg sveču vaska maisījuma, aizstājot 10 % parafīna fāzes ar emulgētu ūdeni, parafīna patēriņu var samazināt līdz pat 100 kg, atkarībā no maisījuma sastāva un galaprodukta specifikācijām. Rūpnieciskā mērogā tas var nodrošināt ievērojamus ietaupījumus izejvielu iegādē, uzglabāšanā un loģistikā.
Galvenais ir nevis vienkārši pievienot ūdeni, bet gan to pareizi emulgēt. Nepietiekami izkliedēts ūdens var atdalīties, izraisīt defektus vai apgrūtināt apstrādi. Ultraskaņas emulgēšana rada smalku pilienu struktūru, kas nepieciešama stabilai iekļaušanai izkausētā vaska fāzē. Hielscher īpaši izceļ zondes tipa ultraskaņas iekārtas, kas apvienotas ar ultraskaņas plūsmas šūnām, kā efektīvu pieeju parafīna vaska emulgēšanai, uzlabojot efektivitāti, vienveidību, mērogojamību un stabilu kvalitāti.

Ultraskaņas apstrāde samazina parafīna vaska pilieniņu izmēru līdz 160 nm, nodrošinot ilgstošu stabilitāti

Jadhav u.c. (2015) zinātniskajā pētījumā ir pierādīts, ka ultraskaņas palīdzībā veikta emulgēšana ir efektīvs veids, kā ražot stabilas parafīna „vasks ūdenī” nanoemulsijas, pārvarot nestabilitāti, kas raksturīga tradicionālajām emulsiju inversijas metodēm. Sagatavojot emulsiju ar ūdens un parafīna attiecību 80:20, viņi optimizēja galvenos procesa mainīgos lielumus – virsmas aktīvās vielas koncentrācija, pielietotā ultraskaņas jauda un ultraskaņošanas ilgums. Optimizētos procesa apstākļos pētnieki panāca parafīna vaska pilieniņu izmēru aptuveni 160,9 nm, izmantojot 10 mg/ml SDS, 40 % pielietoto jaudu, kas atbilst 0,61 W/ml, un 15 minūšu ultraskaņošanu. Pētījums liecina, ka akustiskā kavitācija fiziski sadala izkausēto parafīnu nanoskālas pilienos, savukārt SDS ātri stabilizē jauno veidojošos saskares virsmu; DSC un FTIR analīzes apstiprināja, ka parafīna vasks ultraskaņas apstrādes laikā netika ķīmiski mainīts. Iegūtie pilieni bija cietā stāvoklī, sfēriski, negatīvi lādēti SDS adsorbcijas dēļ un stabili ilgāk par trim mēnešiem, turpretim emulsijas, kas tika pagatavotas, izmantojot emulsijas inversijas punkta metodi, 30 minūšu laikā sabiezēja vai sadalījās. Kopumā šis sasniegums slēpjas tajā, ka ir pierādīts, ka, izmantojot ultraskaņas apstrādi, var iegūt smalkas, stabilas, zema enerģijas patēriņa parafīna vaska nanoemulsijas ar kontrolētu pilieniņu izmēru, spēcīgu fizisko stabilitāti un skaidru potenciālu m
 

Ultraskaņas metodē sagatavotas parafīna emulsijas SEM attēli pie (a) 5000, (b) 20 000
Pētījums un attēls: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher ultraskaņas iekārtas „ūdens-vasks” emulsijām

Uzņēmums „Hielscher Ultrasonics“ ražo zondes tipa ultraskaņas iekārtas šķidrumu apstrādei laboratorijās, eksperimentālajos projektos un rūpniecībā. Tā ultraskaņas sistēmas tiek izmantotas tādām lietojumprogrammām kā emulgēšana, homogenizēšana, disperģēšana, daļiņu izmēra samazināšana, ekstrakcija un ķīmiskā apstrāde.
Sveču ražošanā galvenā priekšrocība ir procesa kontrole. Hielscher ultraskaņas iekārtas ļauj operatoriem noteikt un atkārtot galvenos ultraskaņas apstrādes parametrus, tostarp amplitūdu, enerģijas patēriņu, temperatūru, spiedienu, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku. Tas ir īpaši svarīgi kausēta parafīna gadījumā, kur viskozitāte un temperatūra būtiski ietekmē emulgēšanas kvalitāti.

Ar ultraskaņas palīdzību ražota nanoemulsija

Tipiskas īstenošanas iespējas ietver:

1. Sonicēšana partijās preparātu izstrādei, nelielām ražošanas partijām vai īpašām svecēm
2. Inline ultraskaņas apstrāde ar plūsmas kamerām nepārtrauktai vaska pārstrādei
3. Reaktori ar iespēju radīt spiedienu, kas nodrošina uzlabotu kavitācijas intensitāti un kontrolētu apstrādes procesu
4. Uz rāmja uzstādītas sistēmas integrācijai esošajās rūpnieciskajās svecīšu ražošanas līnijās

Hielscher rūpniecisko iekārtu klāstā ietilpst lieljaudas ultraskaņas procesori, piemēram, UIP4000hdT, kas nodrošina līdz pat 4 kW ultraskaņas jaudu prasīgiem rūpnieciskajiem šķidrumu apstrādes uzdevumiem, tostarp homogenizācijai, emulgēšanai, disperģēšanai un daļiņu smalkai malšanai. Lielākiem ražošanas apjomiem Hielscher piedāvā sistēmas, piemēram, UIP16000 — 16 kW jaudas rūpniecisko ultraskaņas procesoru, kas paredzēts liela apjoma iekļautajai apstrādei un integrācijai ražošanas vidē.
Vairāku ultraskaņas iekārtu savienošana paralēli nodrošina rezerves iespējas un pakāpenisku jaudas palielināšanu atbilstoši pieaugošajam pieprasījumam un uzņēmuma paplašināšanai.

Nozīme sveču ražotājiem

Sveces ražošanas nozare darbojas spēcīga izmaksu spiediena apstākļos, it īpaši masveida ražošanā, kurā tiek izgatavotas tējas sveces, cilindriskās sveces, votīvsveces, trauku sveces un dekoratīvās sveces. Parafīna vaska cenu svārstības tieši ietekmē rentabilitāti. Ultraskaņas ūdens-vaska emulgēšana piedāvā ražotājiem praktisku risinājumu, kā samazināt vaska patēriņu, vienlaikus saglabājot mērogojamu un kontrolējamu ražošanas procesu.

Nozīme rūpniecībā ir īpaši liela tajos gadījumos, kad ražotājiem ir nepieciešams:

• Liela apjoma ražošana ar nemainīgu vaska kvalitāti
• Mazāks parafīna patēriņš uz vienu sveci
• Nepārtraukta procesa apstrāde, nevis tikai partiju sajaukšana
• Uzticama procesa pārnešana no R&D uz ražošanu
• Precīza emulsijas kvalitātes kontrole
• Integrācija esošajās kausēšanas, dozēšanas un liešanas līnijās

Šī tehnoloģija ir pievilcīga arī ražotājiem, kuri izstrādā jaunas, izmaksu ziņā optimizētas sveču receptūras. Regulējot ūdens saturu, emulgatoru sistēmu, vaska temperatūru un ultraskaņas enerģijas pievadi, ražotāji var pielāgot receptūru atbilstoši vēlamajai sveču formai, degšanas īpašībām, virsmas apdarei un ražošanas metodei.
Tāpat kā jebkuras sveču receptūras izmaiņu gadījumā ražotājiem ir jāpārbauda degšanas īpašības, izskats, stabilitāte, drošība, aromātu saderība un uzglabāšanas īpašības savos ražošanas apstākļos. Tomēr ultraskaņas emulgēšana nodrošina apstrādes intensitāti un reproducējamību, kas nepieciešama, lai šāda receptūras izstrāde būtu tehniski iespējama rūpnieciskā mērogā.

Ultraskaņas apstrāde kā konkurences priekšrocība vaska emulsiju ražošanā

Sveces ražotājiem ultraskaņas emulgēšana ir kas vairāk nekā vienkārši sajaukšanas metode. Tā ir procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas ļauj samazināt izejvielu izmaksas, uzlabot receptūras elastīgumu un nodrošināt ražošanas mēroga pielāgojamību.
Hielscher ultraskaņas iekārtas ir paredzētas tieši šāda veida sarežģītiem šķidrumu apstrādes uzdevumiem. Sākot no laboratorijas eksperimentiem ar kausētu parafīnu līdz nepārtrauktai emulgēšanai ražošanas procesā, Hielscher ultraskaņas sistēmas nodrošina jaudu, kontroli un mērogojamību, kas nepieciešama „ūdens parafīnā” tipa sveču vaska emulsiju ražošanai.
Izmantojot ultraskaņas kavitāciju, lai parafīna vasā iekļautu līdz pat 10 % ūdens, sveču ražotāji var samazināt atkarību no dārgā parafīna, vienlaikus saglabājot kontrolētu un viendabīgu vaska sastāvu. Rūpnieciskajā sveču ražošanā tas nodrošina skaidras ekonomiskas un darbības priekšrocības: zemākas izejvielu izmaksas, atkārtojamu kvalitāti un tiešu ceļu no laboratorijas mēroga sastāva izstrādes līdz ražošanai pilnā apjomā.

 
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Ultraskaņas vaska emulsijas: lineāra ražošanas apjoma palielināšana no laboratorijas līdz rūpnieciskajai ražošanai

Viena no galvenajām Hielscher ultraskaņas tehnoloģijas priekšrocībām ir lineāra mēroga palielināšana. Sveču ražotāji var sākt ar neliela mēroga realizējamības pārbaudēm, optimizēt „ūdens parafīnā” formulējumu un pēc tam pārnest procesa parametrus uz lielākām sistēmām.
Atšķirībā no daudzām tradicionālām sajaukšanas tehnoloģijām, kurās procesa mēroga palielināšana var prasīt būtiskas pārprojektēšanas un nenoteiktas pielāgošanas, ultraskaņas procesa mēroga palielināšana balstās uz reproducējamiem procesa parametriem. Tiklīdz ir zināms nepieciešamais enerģijas patēriņš, amplitūda, temperatūra, spiediens un uzturēšanās laiks (plūsmas ātrums), procesu var mērogot, palielinot ultraskaņas jaudu un caurlaidspēju vai darbinot vairākas ultraskaņas iekārtas paralēli.
Šī pieeja ir īpaši vērtīga svecīšu ražotājiem, jo tā samazina izstrādes risku. Formulējumu, kas izstrādāts laboratorijas vai galda ultraskaņas iekārtā, var validēt eksperimentālās iekārtās un pēc tam pārnest uz pilna apjoma rūpniecisko ražošanu. Hielscher norāda, ka galda tipa homogenizatorus var izmantot lietojumu pētniecībai, ražošanas mēroga palielināšanai, eksperimentāliem pētījumiem, procesu optimizācijai un nelielu partiju apstrādei, savukārt lieljaudas ultraskaņas zondes ar jaudu no 4 līdz 16 kW ir pieejamas liela apjoma nepārtrauktai vai partiju apstrādei.
Lielās ražotnēs, apvienojot vairākus ultraskaņas procesorus, var panākt ļoti augstu caurlaidspēju, vienlaikus katrā reaktorā uzturot vienādus kavitācijas apstākļus. Šī modulārā koncepcija nodrošina uzticamu jaudas palielināšanu, neietekmējot produkta kvalitātes stabilitāti.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces