Эмульсии воды в парафине: экономичное производство свечей с помощью ультразвука

Ультразвуковое эмульгирование – мощная технология обработки для производителей свечей, которые стремятся снизить расход парафина, улучшить контроль состава и эффективно масштабировать производство. Диспергируя до 10% воды в расплавленном парафине, производители свечей могут снизить затраты на сырьё, сохраняя однородную парафиновую фазу, подходящую для промышленного производства свечей. Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа обеспечивают высокоинтенсивную кавитацию, необходимую для создания тонкодисперсных, однородных эмульсий воды в воске – от лабораторных испытаний до непрерывного производства.

Совершенствуйте производство парафиновых свечей с помощью ультразвукового эмульгирования

Парафин остаётся одним из наиболее широко используемых видов сырья для производства свечей. Однако колебания цен на парафин, растущее давление на рентабельность и потребность в более ресурсосберегающем производстве вызвали значительный интерес к технологиям, которые сокращают использование парафина без ущерба для надёжности процесса. Ультразвуковое эмульгирование позволяет смешивать воду с расплавленным парафином, создавая стабильные парафиновые эмульсии.
С помощью ультразвука высокой мощности мелкодисперсные капли воды можно вводить в парафиновую фазу, получая стабильную эмульсию воды в парафине. При эмульгировании до 10% воды в парафине производители могут уменьшить количество парафина, необходимое для каждой свечи, непосредственно экономя материал. Для производителей с большими объёмами выпуска даже небольшое процентное снижение расхода парафина может привести к существенной ежегодной экономии затрат.

Почему ультразвуковое эмульгирование идеально подходит для парафина

Вода и парафин по своей природе не смешиваются. Традиционные методы смешивания часто не позволяют добиться тонкого и равномерного диспергирования воды в расплавленном парафине, особенно когда необходимы постоянный размер капель, воспроизводимость процесса и промышленная производительность. Ультразвуковое эмульгирование решает эту задачу благодаря акустической кавитации.
При обработке ультразвуком высокоинтенсивный ультразвук создаёт микроскопические кавитационные пузырьки в жидкой среде. Их схлопывание вызывает локальные высокие сдвиговые усилия, турбулентность и интенсивную передачу энергии перемешивания. Как описывает Hielscher, ультразвуковые эмульгаторы используют акустическую кавитацию для дробления несмешивающихся жидкостей на очень мелкие капли и их равномерного распределения.
При обработке свечного воска это означает, что воду можно диспергировать в расплавленном парафине гораздо эффективнее, чем с помощью многих роторно-статорных смесителей или мешалок с низким сдвигом. Получаемая эмульсия может обеспечивать:

• Распределение мелких капель воды в расплавленной восковой фазе
• Повышенную однородность всего свечного состава
• Снижение расхода парафина за счёт замены части объёма воска водой
• Более высокую воспроизводимость партий благодаря регулируемым параметрам ультразвука
• Эффективную обработку в потоке для непрерывных линий производства свечей

Экономия парафина за счёт эмульгирования до 10% воды

Экономический стимул очевиден: парафин – дорогостоящий основной материал, тогда как вода недорога и легкодоступна. Вводя до 10% воды в парафиновую матрицу с помощью ультразвука, производители свечей могут снизить расход парафина на единицу продукции.
Например, при производстве с использованием 1 000 kg свечного состава замена 10% парафиновой фазы эмульгированной водой может снизить потребность в парафине на величину до 100 kg в зависимости от разработанного состава и технических требований к конечному продукту. В промышленном масштабе это может обеспечить значительную экономию на закупке сырья, хранении и логистике.
Главное – не просто добавить воду, а правильно её эмульгировать. Плохо диспергированная вода может отделяться, вызывать дефекты или нарушать процесс обработки. Ультразвуковое эмульгирование создаёт структуру с мелкими каплями, необходимую для стабильного введения воды в расплавленную парафиновую фазу. Hielscher особо выделяет ультразвуковые аппараты зондового типа в сочетании с ультразвуковыми проточными ячейками как эффективный подход к эмульгированию парафина, повышающий эффективность, однородность, масштабируемость и стабильность качества.

Ультразвуковая обработка уменьшает размер капель парафина до 160nm с обеспечением длительной стабильности

Научное исследование Jadhav et al. (2015) показывает, что эмульгирование с помощью ультразвука – эффективный способ получения стабильных наноэмульсий парафина в воде, позволяющий преодолеть нестабильность, характерную для традиционных методов инверсии эмульсий. При приготовлении эмульсии с соотношением воды и парафина 80:20 авторы оптимизировали ключевые переменные процесса – концентрацию поверхностно-активного вещества, подводимую ультразвуковую мощность и время обработки ультразвуком. В оптимизированных условиях процесса исследователи получили капли парафина размером около 160,9 nm, используя 10 mg/mL SDS, 40% подводимой мощности, что соответствует 0,61 W/mL, и 15 минут обработки ультразвуком. Работа показывает, что акустическая кавитация физически дробит расплавленный парафин на наноразмерные капли, а SDS быстро стабилизирует вновь образованную межфазную поверхность; DSC и FTIR подтвердили, что парафин не претерпел химических изменений при обработке ультразвуком. Полученные капли были твёрдыми, сферическими, отрицательно заряженными вследствие адсорбции SDS и стабильными более трёх месяцев, тогда как эмульсии, приготовленные методом точки инверсии эмульсии, подвергались сливкообразованию или расслаивались в течение 30 минут. В целом достижение заключается в доказательстве того, что ультразвуковая обработка позволяет получать мелкодисперсные, стабильные, низкоэнергетические парафиновые наноэмульсии с контролируемым размером капель, высокой физической стабильностью и очевидным потенциалом для масштабирования составов на основе воска.
 

СЭМ-изображения парафиновой эмульсии, приготовленной с помощью ультразвука, при (a) 5000 , (b) 20 000
Исследование и изображение: ©Jadhav et al. (2015)

Ультразвуковые аппараты Hielscher для эмульсий воды в воске

Hielscher Ultrasonics производит ультразвуковые аппараты зондового типа для лабораторной, пилотной и промышленной обработки жидкостей. Ультразвуковые системы компании используются для таких задач, как эмульгирование, гомогенизация, диспергирование, уменьшение размера частиц, экстракция и химическая обработка.
Для производства свечей главное преимущество заключается в управлении процессом. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют операторам задавать и воспроизводить ключевые параметры обработки ультразвуком, включая амплитуду, подводимую энергию, температуру, давление, расход и время пребывания. Это особенно важно для расплавленного парафина, поскольку вязкость и температура сильно влияют на качество эмульгирования.

Наноэмульсия, полученная с помощью ультразвука

Типичные варианты реализации включают:

1. Обработку ультразвуком в периодическом режиме для разработки составов, небольших производственных партий или специальных свечей
2. Обработку ультразвуком в потоке с использованием проточных ячеек для непрерывной обработки воска
3. Реакторы, допускающие работу под давлением, для повышения интенсивности кавитации и контролируемой обработки
4. Системы на опорных рамах для интеграции в существующие промышленные линии производства свечей

Ассортимент промышленного оборудования Hielscher включает ультразвуковые процессоры высокой мощности, такие как UIP4000hdT, который обеспечивает ультразвуковую мощность до 4 kW для сложных задач промышленной обработки жидкостей, включая гомогенизацию, эмульгирование, диспергирование и тонкое измельчение частиц. Для большей производительности Hielscher предлагает такие системы, как UIP16000 – промышленный ультразвуковой процессор мощностью 16 kW, разработанный для обработки больших объёмов в потоке и интеграции в производственную среду.
Объединение нескольких ультразвуковых аппаратов в параллельно работающую группу обеспечивает резервирование и поэтапное масштабирование по мере роста спроса и расширения бизнеса.

Промышленная значимость для производителей свечей

Свечная промышленность работает в условиях сильного давления на себестоимость, особенно при массовом производстве чайных свечей, свечей-столбиков, вотивных свечей, свечей в ёмкостях и декоративных свечей. Нестабильность цен на парафин напрямую влияет на рентабельность. Ультразвуковое эмульгирование воды в воске даёт производителям практический способ снизить расход воска, сохраняя масштабируемый и управляемый производственный процесс.

Промышленная значимость особенно велика там, где производителям необходимы:

• Производство больших объёмов со стабильным качеством воска
• Снижение расхода парафина на каждую свечу
• Непрерывная обработка в потоке вместо исключительно периодического смешивания
• Надёжный перенос процесса из научно-исследовательской разработки в производство
• Точный контроль качества эмульсии
• Интеграция в существующие линии плавления, дозирования и литья

Технология также привлекательна для производителей, разрабатывающих новые свечные составы с оптимизированной себестоимостью. Регулируя содержание воды, систему эмульгаторов, температуру воска и подводимую ультразвуковую энергию, производители могут адаптировать состав к желаемой геометрии свечи, характеристикам горения, качеству поверхности и способу производства.
Как и при любом изменении состава свечей, производителям следует проверять характеристики горения, внешний вид, стабильность, безопасность, совместимость с ароматизаторами и поведение при хранении в собственных производственных условиях. При этом ультразвуковое эмульгирование обеспечивает интенсивность обработки и воспроизводимость, необходимые для технической осуществимости разработки таких составов в промышленном масштабе.

Ультразвуковая обработка как конкурентное преимущество при производстве восковых эмульсий

Для производителей свечей ультразвуковое эмульгирование – больше, чем метод смешивания. Это технология интенсификации процесса, которая может снизить затраты на сырьё, повысить гибкость разработки составов и обеспечить масштабируемое производство.
Ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны именно для таких сложных задач обработки жидкостей. От лабораторных испытаний с расплавленным парафином до непрерывного эмульгирования в потоке в промышленном производстве ультразвуковые системы Hielscher обеспечивают мощность, управляемость и масштабируемость, необходимые для эмульсий воды в парафиновом свечном воске.
Вводя до 10% воды в парафин с помощью ультразвуковой кавитации, производители свечей могут снизить зависимость от дорогостоящего парафина, сохраняя контролируемый, однородный восковой состав. Для промышленного производства свечей это создаёт явное экономическое и эксплуатационное преимущество: снижение затрат на материалы, воспроизводимое качество и прямой переход от разработки состава в лабораторном масштабе к полномасштабному производству.

 
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковые восковые эмульсии: линейное масштабирование от лаборатории до промышленного производства

Одно из главных преимуществ ультразвуковой технологии Hielscher – линейное масштабирование. Производители свечей могут начать с испытаний технической осуществимости в небольшом масштабе, оптимизировать состав эмульсии воды в парафине, а затем перенести параметры процесса на более крупные системы.
В отличие от многих традиционных технологий смешивания, при которых масштабирование может потребовать существенного изменения конструкции и корректировок с неопределённым результатом, ультразвуковое масштабирование основано на воспроизводимых параметрах процесса. После определения необходимых удельной подводимой энергии, амплитуды, температуры, давления и времени пребывания (скорости потока) процесс можно масштабировать, увеличивая ультразвуковую мощность и производительность либо используя несколько ультразвуковых установок параллельно.
Этот подход особенно ценен для производителей свечей, поскольку снижает риски разработки. Состав, разработанный на лабораторном или настольном ультразвуковом аппарате, можно проверить на пилотном оборудовании, а затем перенести в полномасштабное промышленное производство. Hielscher отмечает, что настольные гомогенизаторы можно использовать для прикладных исследований, работ по масштабированию, пилотных исследований, оптимизации процесса и обработки небольших партий, а для обработки больших объёмов в потоке или периодическом режиме доступны ультразвуковые зонды высокой мощности от 4 до 16 kW.
Для крупных производственных предприятий объединение нескольких ультразвуковых процессоров в группу обеспечивает очень высокую производительность при сохранении одинаковых условий кавитации в каждом реакторе. Эта модульная концепция позволяет надёжно наращивать мощности без ущерба для стабильности характеристик продукта.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и сложной эксплуатационной средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Источники

• 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.