Water-in-paraffine-wasemulsies: kostenefficiënte kaarsenproductie met behulp van ultrasone trillingen

Ultrasone emulgering is een krachtige verwerkingstechnologie voor kaarsenfabrikanten die het paraffineverbruik willen verminderen, de controle over de samenstelling willen verbeteren en de productie efficiënt willen opschalen. Door tot 10% water in gesmolten paraffinewas te dispergeren, kunnen kaarsenfabrikanten de grondstofkosten verlagen en tegelijkertijd een homogene wasfase behouden die geschikt is voor de industriële kaarsenproductie. De sondesonificatoren van Hielscher zorgen voor de hoogintensieve cavitatie die nodig is om fijne, uniforme water-in-was-emulsies te creëren. – van laboratoriumproeven tot de schaal van continue productie.

Verbetering van de productie van paraffinekaarsen door middel van ultrasone emulgering

Paraffine blijft een van de meest gebruikte grondstoffen bij de productie van kaarsen. Door schommelende wasprijzen, toenemende druk op de marges en de behoefte aan een grondstofzuinigere productie is er echter grote belangstelling ontstaan voor technologieën waarmee het paraffineverbruik kan worden verminderd zonder dat dit ten koste gaat van de procesbetrouwbaarheid. Door middel van ultrasone emulgering kan water in gesmolten paraffinewas worden gemengd, waardoor stabiele wasemulsies ontstaan.
Met behulp van krachtige ultrasone trillingen kunnen fijn verdeelde waterdruppeltjes in de wasfase worden opgenomen, waardoor een stabiele water-in-paraffine-emulsie ontstaat. Wanneer tot 10% water in paraffine wordt geëmulgeerd, kunnen fabrikanten de benodigde hoeveelheid paraffine per kaars verminderen, wat direct leidt tot materiaalbesparing. Voor producenten met grote productievolumes kan zelfs een kleine procentuele vermindering van het wasverbruik zich vertalen in aanzienlijke jaarlijkse kostenbesparingen.

Waarom ultrasone emulgering ideaal is voor paraffinewas

Water en paraffinewas zijn van nature niet mengbaar. Bij conventionele mengmethoden is het vaak moeilijk om water fijn en gelijkmatig in gesmolten was te verspreiden, vooral wanneer een consistente druppelgrootte, reproduceerbaarheid van het proces en industriële doorvoercapaciteit vereist zijn. Ultrasone emulgering lost dit probleem op door middel van akoestische cavitatie.
Tijdens ultrasone behandeling zorgt ultrasone straling met hoge intensiteit voor het ontstaan van microscopisch kleine cavitatiebellen in het vloeibare medium. Wanneer deze bellen instorten, ontstaan er plaatselijk hoge schuifkrachten, turbulentie en intense mengenergie. Hielscher beschrijft ultrasone emulgeerders als apparaten die gebruikmaken van akoestische cavitatie om onmengbare vloeistoffen in zeer kleine druppeltjes te breken en deze gelijkmatig te verdelen.
Voor de verwerking van kaarswas betekent dit dat water veel effectiever in gesmolten paraffine kan worden gedispergeerd dan met veel rotor-stator-mengers of roerwerken met lage schuifkracht. De resulterende emulsie biedt de volgende voordelen:

• Fijne verdeling van waterdruppeltjes binnen de gesmolten wasfase
• Verbeterde homogeniteit in de samenstelling van de kaars
• Verminderd paraffineverbruik door een deel van de washoeveelheid te vervangen door water
• Meer reproduceerbare batches dankzij regelbare ultrasone parameters
• Efficiënte inline-verwerking voor continue kaarsenproductielijnen

Paraffine besparen door tot 10% water te emulgeren

De economische drijfveer is duidelijk: paraffine is een duur basismateriaal, terwijl water goedkoop en ruimschoots beschikbaar is. Door met behulp van ultrasone trillingen tot 10% water in de wasmatrix te verwerken, kunnen kaarsenfabrikanten het paraffineverbruik per eenheid verminderen.
In een productiescenario waarbij bijvoorbeeld 1.000 kg kaarswasformule wordt gebruikt, kan het vervangen van 10% van de paraffinefase door geëmulgeerd water de benodigde hoeveelheid paraffine met maximaal 100 kg verminderen, afhankelijk van het ontwerp van de formule en de specificaties van het eindproduct. Op industriële schaal kan dit aanzienlijke besparingen opleveren op het gebied van de inkoop, opslag en logistiek van grondstoffen.
Het gaat er niet alleen om water toe te voegen, maar ook om het op de juiste manier te emulgeren. Slecht gedispergeerd water kan gaan scheiden, defecten veroorzaken of het verwerkingsproces in gevaar brengen. Ultrasone emulgering zorgt voor de fijne druppelstructuur die nodig is voor een stabiele opname in de gesmolten wasfase. Hielscher benadrukt met name de gebruik van sondetype sonicators in combinatie met ultrasone doorstroomcellen als een effectieve aanpak voor het emulgeren van paraffinewas, waardoor de efficiëntie, uniformiteit, schaalbaarheid en consistente kwaliteit worden verbeterd.

Ultrasone bewerking verkleint paraffinewasdruppeltjes tot 160 nm met langdurige stabiliteit

Uit het wetenschappelijk onderzoek van Jadhav et al. (2015) blijkt dat ultrasone emulgering een effectieve methode is voor het produceren van stabiele paraffine-in-water-nano-emulsies, waarmee de instabiliteit die kenmerkend is voor conventionele emulsie-inversiemethoden wordt overwonnen. Door een emulsie te bereiden met een water-paraffineverhouding van 80:20, hebben zij de belangrijkste procesvariabelen geoptimaliseerd – de concentratie van het oppervlakteactieve middel, het toegepaste ultrasone vermogen en de ultrasone bewerkingstijd. Onder geoptimaliseerde procesomstandigheden slaagden de onderzoekers erin paraffinewasdruppeltjes van ongeveer 160,9 nm te verkrijgen met behulp van 10 mg/mL SDS, 40% toegepast vermogen (wat overeenkomt met 0,61 W/mL) en 15 minuten ultrasone bewerking. Het onderzoek toont aan dat akoestische cavitatie gesmolten paraffine fysisch uiteenbreekt in druppeltjes op nanoschaal, terwijl SDS het nieuw gevormde grensvlak snel stabiliseert; DSC en FTIR bevestigden dat de paraffinewas tijdens de ultrasone behandeling niet chemisch werd gewijzigd. De resulterende druppeltjes waren vast, bolvormig, negatief geladen als gevolg van SDS-adsorptie en stabiel gedurende meer dan drie maanden, terwijl emulsies die waren bereid met de emulsie-inversiepuntmethode binnen 30 minuten gingen schiften of uit elkaar vielen. Al met al ligt de vooruitgang in het aantonen dat ultrasone verwerking fijne, stabiele, energiezuinige paraffinewas-nano-emulsies kan produceren met een gecontroleerde druppelgrootte, sterke fysische stabiliteit en duidelijk potentieel voor schaalbare formuleringen op basis van was.
 

SEM-beelden van een met ultrasone trillingen bereide paraffine-emulsie bij (a) 5000, (b) 20.000
Onderzoek en afbeelding: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher-sonicatoren voor water-in-was-emulsies

Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone apparaten met sonde voor de verwerking van vloeistoffen in laboratoria, proefopstellingen en de industrie. De ultrasone systemen van het bedrijf worden ingezet voor toepassingen zoals emulgeren, homogeniseren, dispergeren, het verkleinen van de deeltjesgrootte, extractie en chemische verwerking.
Voor de productie van kaarsen is procesbeheersing het belangrijkste voordeel. Met de ultrasone apparaten van Hielscher kunnen operators de belangrijkste ultrasone parameters vastleggen en reproduceren, waaronder amplitude, energie-inbreng, temperatuur, druk, debiet en verblijftijd. Dit is met name van belang bij gesmolten paraffinewas, waarbij de viscositeit en temperatuur een grote invloed hebben op de kwaliteit van de emulgering.

Met behulp van ultrasone trillingen geproduceerde nano-emulsie

Typische implementatiemogelijkheden zijn onder meer:

1. Batch-sonicatie voor de ontwikkeling van recepturen, kleine productieseries of speciale kaarsen
2. Inline-sonicatie met doorstroomcellen voor continue wasverwerking
3. Reactoren die onder druk kunnen worden gebracht voor een hogere cavitatie-intensiteit en een gecontroleerd verwerkingsproces
4. Op een skid gemonteerde systemen voor integratie in bestaande industriële kaarsenproductielijnen

Het industriële assortiment van Hielscher omvat krachtige ultrasone processors zoals de UIP4000hdT, die tot 4 kW ultrasoon vermogen levert voor veeleisende industriële vloeistofverwerkingstaken, waaronder homogenisatie, emulgering, dispersie en het fijnmalen van deeltjes. Voor grotere productiecapaciteiten biedt Hielscher systemen aan zoals de UIP16000, een industriële ultrasone processor van 16 kW die is ontworpen voor inline-verwerking van grote volumes en integratie in productieomgevingen.
Door meerdere ultrasone apparaten parallel te schakelen, wordt redundantie gecreëerd en is een stapsgewijze opschaling mogelijk naarmate de vraag toeneemt en het bedrijf groeit.

Relevantie voor de kaarsenindustrie

De kaarsenindustrie staat onder sterke kostendruk, met name bij de massaproductie van theelichtjes, stompkaarsen, votiefkaarsen, kaarsen in potjes en decoratieve kaarsen. De prijsschommelingen van paraffinewas hebben een directe invloed op de winstgevendheid. Ultrasone water-in-was-emulsificatie biedt fabrikanten een praktische manier om het wasverbruik te verminderen en tegelijkertijd een schaalbaar en controleerbaar productieproces te behouden.

De relevantie voor de industrie is vooral groot wanneer producenten behoefte hebben aan:

• Productie op grote schaal met een constante waskwaliteit
• Lager paraffineverbruik per kaars
• Continue inline-verwerking in plaats van uitsluitend batchgewijs mengen
• Betrouwbare procesoverdracht vanuit R&D naar productie
• Nauwkeurige controle over de kwaliteit van de emulsie
• Integratie in bestaande smelt-, doseer- en gietlijnen

De technologie is ook aantrekkelijk voor fabrikanten die nieuwe, kostengeoptimaliseerde kaarsformules ontwikkelen. Door het watergehalte, het emulgatorsysteem, de wastemperatuur en de toegevoerde ultrasone energie aan te passen, kunnen producenten de formule afstemmen op de door hen gewenste vorm van de kaars, het brandgedrag, de oppervlakteafwerking en de productiemethode.
Zoals bij elke wijziging in de samenstelling van kaarsen, moeten fabrikanten de brandprestaties, het uiterlijk, de stabiliteit, de veiligheid, de geurcompatibiliteit en het opslaggedrag onder hun eigen productieomstandigheden valideren. Ultrasone emulgering biedt echter de verwerkingsintensiteit en reproduceerbaarheid die nodig zijn om een dergelijke samenstellingsontwikkeling op industriële schaal technisch haalbaar te maken.

Ultrasone bewerking als concurrentievoordeel bij wasemulsies

Voor kaarsenfabrikanten is ultrasone emulgering meer dan alleen een mengmethode. Het is een technologie voor procesintensivering waarmee de grondstofkosten kunnen worden verlaagd, de flexibiliteit bij het samenstellen van recepturen kan worden verbeterd en schaalbare productie kan worden ondersteund.
De ultrasone apparaten van Hielscher zijn speciaal ontworpen voor dit soort veeleisende vloeistofverwerkingsprocessen. Van laboratoriumproeven met gesmolten paraffine tot continue inline-emulgering in de industriële productie: de ultrasone systemen van Hielscher bieden het vermogen, de controle en de schaalbaarheid die nodig zijn voor water-in-paraffine-emulsies voor kaarsenwas.
Door met behulp van ultrasone cavitatie tot 10% water in paraffinewas te verwerken, kunnen kaarsenfabrikanten hun afhankelijkheid van dure paraffine verminderen en tegelijkertijd een gecontroleerde, homogene wasformule behouden. Voor de industriële kaarsenproductie levert dit een duidelijk economisch en operationeel voordeel op: lagere materiaalkosten, reproduceerbare kwaliteit en een directe overgang van formulering op laboratoriumschaal naar productie op volledige schaal.

 
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Ultrasone wasemulsies: lineaire opschaling van laboratorium naar industriële productie

Een van de belangrijkste voordelen van de ultrasone technologie van Hielscher is de lineaire opschaling. Kaarsenfabrikanten kunnen beginnen met haalbaarheidstests op kleine schaal, de water-in-paraffine-formule optimaliseren en vervolgens de procesparameters toepassen op grotere systemen.
In tegenstelling tot veel conventionele mengtechnieken, waarbij opschaling vaak ingrijpende herontwerpen en onzekere aanpassingen vereist, is ultrasone opschaling gebaseerd op reproduceerbare procesparameters. Zodra de vereiste specifieke energie-input, amplitude, temperatuur, druk en verblijftijd (stroomsnelheid) bekend zijn, kan het proces worden opgeschaald door het ultrasone vermogen en de doorvoercapaciteit te verhogen of door meerdere ultrasone eenheden parallel te laten werken.
Deze aanpak is met name waardevol voor kaarsenfabrikanten, omdat het ontwikkelingsrisico hierdoor wordt verminderd. Een receptuur die is ontwikkeld op een laboratorium- of tafelmodel-sonicator kan worden gevalideerd op proefinstallaties en vervolgens worden overgezet naar volledige industriële productie. Hielscher merkt op dat tafelmodelhomogenisatoren kunnen worden gebruikt voor toepassingsonderzoek, opschalingswerkzaamheden, proefstudies, procesoptimalisatie en de verwerking van kleinere batches, terwijl krachtige ultrasone sondes van 4 tot 16 kW beschikbaar zijn voor inline- of batchverwerking van grote volumes.
Bij grote productie-installaties zorgt het clusteren van meerdere ultrasone verwerkers voor een zeer hoge doorvoercapaciteit, terwijl in elke reactor dezelfde cavitatieomstandigheden worden gehandhaafd. Dit modulaire concept maakt een betrouwbare capaciteitsuitbreiding mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de productconsistentie.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties