Sterylizacja i dyspergowanie powłok wodorozcieńczalnych bez biocydów

Powłoki wodorozcieńczalne są szeroko stosowane, ponieważ umożliwiają tworzenie formulacji o niskiej zawartości lotnych związków organicznych (LZO), bezpieczniejsze użytkowanie i bardziej zrównoważoną produkcję. Jednocześnie zawartość wody sprawia, że są one bardzo podatne na skażenie mikrobiologiczne. Bakterie, drożdże i pleśnie mogą przedostawać się do produktu poprzez surowce, zbiorniki, rurociągi, systemy napełniania lub kontakt z otoczeniem podczas produkcji i przechowywania. Po wystąpieniu skażenia mikroorganizmy mogą szybko się namnażać, pogarszając zarówno jakość produktu, jak i jego trwałość.
Dlatego stabilność mikrobiologiczna jest kluczowym czynnikiem jakości farb, powłok, tuszów i dyspersji pigmentów na bazie wody.

Sonikacja łączy dyspergowanie pigmentów i kontrolę mikrobiologiczną w jednym procesie przemysłowym

Tradycyjnie producenci polegają na konserwantach i biocydach chroniących produkt w opakowaniu, aby zapobiegać jego psuciu się. Jednak rosnąca presja regulacyjna i coraz większe zapotrzebowanie na formulacje o czystszym składzie skłaniają do poszukiwania alternatyw. Sonikacja o wysokiej intensywności oferuje wysoce skuteczne rozwiązanie, umożliwiając jednoczesne dyspergowanie i sterylizację w jednym etapie procesu.
Dla producentów powłok oznacza to, że obróbka ultradźwiękowa jest nie tylko technologią dyspergowania. Jest również skutecznym narzędziem procesowym poprawiającym stabilność mikrobiologiczną, a jednocześnie wspierającym strategie opracowywania formulacji o niskiej zawartości biocydów lub bez biocydów.

Dlaczego stabilność mikrobiologiczna farb wodorozcieńczalnych ma kluczowe znaczenie w przemyśle

Skażenie mikrobiologiczne bezpośrednio wpływa na jakość produktu i niezawodność procesu: stabilność mikrobiologiczna farb ma duże znaczenie przemysłowe, ponieważ wzrost mikroorganizmów może powodować szereg wad produktu i problemów produkcyjnych. Formulacje na bazie wody często zawierają składniki organiczne, takie jak spoiwa, dyspergatory, środki zwilżające, zagęstniki i środki przeciwpienne. Składniki te mogą tworzyć środowisko sprzyjające wzrostowi mikroorganizmów, jeśli do skażenia dojdzie podczas przetwarzania lub przechowywania.

W praktyce przemysłowej niewystarczająca kontrola mikrobiologiczna może prowadzić do:

• dryfu lepkości i zmian pH
• powstawania gazów i pęcznienia opakowań
• nieprzyjemnego zapachu i zmian barwy
• obniżonej stabilności podczas przechowywania
• wad powłoki i niejednolitego zachowania podczas aplikacji
• w przypadku kąpieli zanurzeniowych – zwiększonej częstotliwości czyszczenia i przestojów związanych ze skażeniem

Psucie mikrobiologiczne nie tylko uszkadza produkt. Może również powodować nawracające problemy higieniczne w zbiornikach, rurach i obiegach recyrkulacyjnych, prowadząc do strat produkcyjnych, konieczności ponownego przetwarzania, reklamacji klientów i kosztów utylizacji. Z tego powodu stabilność mikrobiologiczna nie jest właściwością drugorzędną. Jest podstawowym wymogiem dla powłok wodorozcieńczalnych odnoszących sukces komercyjny.

Jak działa sonikacja w powłokach wodorozcieńczalnych

Kawitacja akustyczna wytwarza intensywne ścinanie, powodując rozbijanie mikroorganizmów: ultradźwięki o dużej mocy działają poprzez kawitację akustyczną. Gdy fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz, powstają mikroskopijne pęcherzyki, które rosną i implodują. Te zjawiska kawitacyjne generują silnie zlokalizowane siły ścinające, turbulencje, zmiany ciśnienia i mikrostrugi.
W powłokach wodorozcieńczalnych te efekty kawitacyjne są cenne, ponieważ działają jednocześnie na cząstki i mikroorganizmy. Aglomeraty pigmentów są skutecznie rozbijane na drobniejsze cząstki, podczas gdy komórki mikroorganizmów ulegają mechanicznemu uszkodzeniu i inaktywacji. Sprawia to, że sonikacja jest szczególnie atrakcyjna w przypadku formulacji, w których zarówno jakość dyspersji, jak i stabilność mikrobiologiczna mają zasadnicze znaczenie.

Jeden etap procesu realizuje dwie kluczowe funkcje

Zamiast traktować dyspergowanie pigmentów i kontrolę mikrobiologiczną jako oddzielne zadania, sonikacja łączy je w jednej operacji. Ten podwójny efekt zapewnia wyraźną przewagę przemysłową.

Ta sama energia ultradźwiękowa, która powoduje deaglomerację skupisk pigmentów i równomiernie dysperguje cząstki, może również zmniejszać liczbę żywych mikroorganizmów w powłoce. W rezultacie sonikacja wspiera:

• drobniejszą i bardziej równomierną dyspersję pigmentów
• poprawę siły barwienia i jednorodności właściwości optycznych
• ograniczenie skażenia mikrobiologicznego podczas przetwarzania
• poprawę stabilności produktów na bazie wody podczas przechowywania
• mniejsze uzależnienie od konserwantów i biocydów chroniących produkt w opakowaniu

Sprawia to, że sonikacja ma duże znaczenie dla rozwoju bardziej zrównoważonych systemów powłokowych o czystszym składzie.
 

Dwutlenek krzemu dyspergowany ultradźwiękowo: krzywa czerwona – bez obróbki; krzywa zielona: po dyspergowaniu ultradźwiękowym

Zalety jednoczesnego dyspergowania i sterylizacji pigmentów do farb

1. Lepsza jakość dyspersji poprawia właściwości użytkowe powłoki
   Pigmenty i wypełniacze często tworzą aglomeraty, które trudno rozbić przy niewystarczającej energii mechanicznej. Sonikacja zapewnia intensywne i ukierunkowane ścinanie, dzięki czemu jest wysoce skuteczna w deaglomeracji i zmniejszaniu wielkości cząstek. Drobniejsza dyspersja może poprawić szereg właściwości użytkowych końcowej powłoki, w tym rozwinięcie barwy, siłę krycia, połysk i długoterminową stabilność.
2. Jednoczesna sterylizacja wspiera ograniczanie stosowania biocydów
   Jednocześnie kawitacja ultradźwiękowa może uszkadzać komórki mikroorganizmów obecne w fazie ciekłej. Zmniejsza to skażenie w strumieniu produktu i pomaga poprawić stabilność mikrobiologiczną bez polegania wyłącznie na konserwacji chemicznej. Dla producentów dążących do tworzenia systemów o niskiej zawartości biocydów lub bez biocydów jest to istotna korzyść procesowa.
3. Intensyfikacja procesu zmniejsza jego złożoność
   Połączenie dwóch kluczowych celów procesowych w jednym etapie obróbki w linii upraszcza produkcję. Zamiast dodawać oddzielne etapy obróbki służące dyspergowaniu i kontroli mikrobiologicznej, producenci powłok mogą połączyć oba w jednym kontrolowanym procesie sonikacji. Ogranicza to czynności związane z obsługą materiału, wspiera czystszą produkcję i poprawia powtarzalność.

Dlaczego przetwarzanie bez biocydów zyskuje na znaczeniu

Wymagania regulacyjne, środowiskowe i rynkowe zmieniają strategie opracowywania formulacji
Przejście na powłoki o niskiej zawartości biocydów i bez biocydów wynika z kilku czynników przemysłowych. Przepisy stają się bardziej rygorystyczne, oczekiwania środowiskowe rosną, a klienci domagają się bezpieczniejszych, bardziej zrównoważonych produktów zawierających mniej substancji budzących obawy.
W tym kontekście fizyczne technologie procesowe zyskują znaczenie strategiczne. Sonikacja jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ nie ogranicza się do zastąpienia jednego dodatku innym. Wprowadza niechemiczną zasadę obróbki, która poprawia zarówno dyspersję, jak i stabilność mikrobiologiczną dzięki energii mechanicznej.

Dla specjalistów opracowujących formulacje i kierowników produkcji oferuje to kilka korzyści:

• wsparcie dla bardziej zrównoważonych koncepcji produktów
• mniejsze uzależnienie od konwencjonalnych konserwantów
• poprawę higieny procesu
• silniejszą pozycję rynkową powłok wodorozcieńczalnych nowej generacji

Dlaczego sonikatory Hielscher są najlepszym rozwiązaniem do przemysłowej produkcji powłok

Precyzyjna kontrola zapewniająca powtarzalne warunki przetwarzania

Sonikatory Hielscher są zaprojektowane z myślą o kontroli procesów przemysłowych. W produkcji powłok precyzyjna kontrola parametrów sonikacji ma zasadnicze znaczenie, ponieważ zachowanie formulacji zależy od rodzaju pigmentu, zawartości substancji stałych, lepkości, temperatury, natężenia przepływu i intensywności obróbki.

Systemy Hielscher umożliwiają dokładną regulację istotnych parametrów procesu, takich jak:

• amplituda
• ciśnienie
• natężenie przepływu / czas przebywania
• temperatura
• ilość dostarczanej energii

Ta precyzja pozwala producentom optymalizować dyspergowanie pigmentów, poprawiając jakość formulacji i osiągając powtarzalne zmniejszenie liczby mikroorganizmów.

Obrazy SEM komórek wegetatywnych B. subtilis przed (a) i po działaniu ultradźwięków przez 30 min (b), (c).
Badanie i obraz: © Hashimoto et al., 2020

Komory przepływowe przystosowane do pracy pod ciśnieniem dla intensywniejszej sonikacji

Podwyższone ciśnienie zwiększa intensywność kawitacji
Kluczową zaletą technologii Hielscher jest stosowanie reaktorów z komorami przepływowymi przystosowanymi do pracy pod ciśnieniem. Ciśnienie ma silny wpływ na przebieg kawitacji. Przy podwyższonym ciśnieniu kawitacja staje się intensywniejsza i skuteczniejsza, co jest szczególnie cenne w przypadku wymagających procesów dyspergowania i ciągłej inaktywacji mikroorganizmów.

Komory przepływowe przystosowane do pracy pod ciśnieniem wspierają:

• intensywniejszą obróbkę ultradźwiękową
• skuteczniejszą deaglomerację
• poprawę wydajności procesu

Dla przemysłowych zakładów produkujących powłoki oznacza to, że obróbkę ultradźwiękową można dostosować nie tylko do wykonalności w skali laboratoryjnej, lecz także do rzeczywistej wydajności produkcji i wymagań dotyczących produktu.

Przetwarzanie w linii na potrzeby produkcji ciągłej

Sonikację można zintegrować bezpośrednio z linią produkcyjną
Sonikatory Hielscher doskonale nadają się do przetwarzania w linii. Pozwala to na ciągłą obróbkę powłok wodorozcieńczalnych podczas ich przepływu przez system produkcyjny. Sonikacja w linii dobrze wpisuje się w produkcję przemysłową, ponieważ pozwala uniknąć zbędnej obsługi partii i może być zintegrowana z obiegami transportowymi, systemami recyrkulacji lub dedykowanymi liniami procesowymi.

Przetwarzanie w linii oferuje wyraźne korzyści operacyjne:

• ciągłą obróbkę w określonych warunkach
• łatwą integrację z istniejącymi instalacjami
• ograniczenie ręcznej obsługi
• poprawę wydajności i powtarzalności procesu

Dla producentów powłok czyni to sonikację praktyczną technologią produkcyjną.

TiO2 suszony rozpyłowo przed i po mieleniu ultradźwiękowym

Liniowa skalowalność od laboratorium do produkcji przemysłowej

Parametry procesu można niezawodnie przenosić między skalami
Zwiększanie skali jest kluczowym zagadnieniem w rozwoju procesu. Systemy ultradźwiękowe Hielscher są zaprojektowane z myślą o liniowej skalowalności, co oznacza, że warunki procesu ustalone w skali laboratoryjnej lub pilotażowej można systematycznie przenosić do produkcji przemysłowej.
Jest to szczególnie istotne dla firm opracowujących innowacyjne powłoki o niskiej zawartości biocydów, ponieważ zmniejsza ryzyko podczas wdrażania i pomaga przyspieszyć komercjalizację.

Zalety liniowej skalowalności obejmują:

• łatwiejszy rozwój procesu
• niezawodne przeniesienie z badań i rozwoju do produkcji
• przewidywalne wyniki przy większej wydajności przetwarzania
• mniejszą niepewność przy zwiększaniu skali

Łatwe czyszczenie i higieniczne projektowanie procesu

Łatwość czyszczenia ma znaczenie, gdy celem jest stabilność mikrobiologiczna
Jeśli kontrola mikrobiologiczna jest kluczowym celem procesu, higiena urządzeń staje się jeszcze ważniejsza. Sonikatory Hielscher są zaprojektowane z myślą o praktycznym czyszczeniu przemysłowym i prostej integracji z higienicznymi środowiskami procesowymi.

Łatwe czyszczenie pomaga producentom:

• zmniejszać ryzyko skażenia urządzeń
• zatrzymywać wzrost mikroorganizmów
• skracać czas prac związanych z czyszczeniem i konserwacją
• poprawiać niezawodność procesu w kolejnych cyklach produkcyjnych

W przypadku powłok wodorozcieńczalnych, w których skażenie może utrzymywać się w zbiornikach, strefach martwych i systemach transportowych, łatwe do czyszczenia urządzenia ultradźwiękowe bezpośrednio przyczyniają się do stabilności produktu i niezawodności eksploatacyjnej.

Farba kredowa poddana sonikacji na grindometrze wykazuje idealnie równomierną deaglomerację i rozkład wielkości cząstek pigmentów

Powtarzalne wyniki dla przemysłowego zapewnienia jakości

Stałość właściwości jest niezbędna dla producentów powłok
Przemysłowa produkcja farb wymaga wysoce powtarzalnych wyników procesu. Właściwości optyczne, reologia, trwałość i stabilność mikrobiologiczna muszą pozostawać stałe między partiami oraz przez długie okresy produkcji.

Sonikatory Hielscher zapewniają powtarzalne warunki ultradźwiękowe, które wspierają:

• równomierną dyspersję pigmentów
• stabilne zmniejszanie wielkości cząstek
• powtarzalną obróbkę mikrobiologiczną
• niezawodną jakość produktu w kolejnych seriach produkcyjnych

Ta powtarzalność jest niezbędna do walidacji procesu, zapewnienia jakości i przemysłowego wdrażania technologii ultradźwiękowej.

Sonikacja jako strategiczna technologia dla nowoczesnych powłok wodorozcieńczalnych

Przemysł powłokowy zmierza w kierunku formulacji bardziej zrównoważonych, zawierających mniej niebezpiecznych dodatków i zapewniających bardziej niezawodne właściwości użytkowe. Sonikacja wyjątkowo dobrze wpisuje się w ten kierunek, ponieważ jednocześnie odpowiada na dwa główne wyzwania produkcyjne: potrzebę skutecznego dyspergowania pigmentów i potrzebę stabilności mikrobiologicznej.
Łącząc te funkcje w jednym etapie procesu, sonikacja pomaga producentom upraszczać produkcję, poprawiać jakość powłok i ograniczać zależność od konwencjonalnych systemów konserwacji. Sprawia to, że obróbka ultradźwiękowa jest bardzo atrakcyjna w przypadku farb architektonicznych, powłok przemysłowych, dyspersji funkcjonalnych, tuszów i pokrewnych systemów na bazie wody.
Sonikatory Hielscher zapewniają platformę przemysłową potrzebną do wdrożenia tej strategii w praktyce. Ich precyzyjna kontrola, komory przepływowe przystosowane do pracy pod ciśnieniem, możliwość pracy w linii, liniowa skalowalność, łatwe czyszczenie i powtarzalne wyniki sprawiają, że szczególnie dobrze nadają się do produkcji farb i powłok.

Wykorzystaj zalety ultradźwiękowego dyspergowania i sterylizacji powłok

Sterylizacja i dyspergowanie powłok wodorozcieńczalnych bez biocydów z wykorzystaniem sonikacji to bardzo obiecujące podejście do nowoczesnej produkcji farb. Sonikacja poprawia dyspersję pigmentów, zmniejsza liczbę mikroorganizmów i wspiera większą stabilność produktu w jednym zintegrowanym procesie. To połączenie jest szczególnie cenne w branży, która znajduje się pod rosnącą presją ograniczania stosowania konserwantów przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej jakości produktów i wydajności procesu.
Dla producentów farb i powłok wodorozcieńczalnych sonikatory Hielscher oferują praktyczne i sprawdzone przemysłowo rozwiązanie. Możliwość kontrolowania procesu, integracja z linią produkcyjną, konstrukcja komory przepływowej intensyfikująca obróbkę, skalowalność, możliwość higienicznego czyszczenia i powtarzalne wyniki sprawiają, że są doskonałym wyborem do jednoczesnego dyspergowania i sterylizacji pigmentów do farb.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Solidność i łatwa obsługa umożliwiają płynną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikacją ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymogami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Literatura / Źródła

• 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.