Водно-парафиновые эмульсии: экономичное производство свечей с помощью ультразвука

Ультразвуковая эмульгирование — это эффективная технология обработки для производителей свечей, стремящихся сократить расход парафина, улучшить контроль над рецептурой и эффективно наращивать объемы производства. Благодаря диспергированию до 10 % воды в расплавленном парафине производители свечей могут снизить затраты на сырье, сохранив при этом однородную восковую фазу, пригодную для промышленного производства свечей. Зондовые ультразвуковые устройства компании Hielscher обеспечивают высокоинтенсивную кавитацию, необходимую для создания мелких, однородных эмульсий типа «вода в воске». – от лабораторных испытаний до промышленного производства.

Повышение эффективности производства парафиновых свечей с помощью ультразвуковой эмульгирования

Парафин по-прежнему остается одним из наиболее широко используемых видов сырья в производстве свечей. Однако колебания цен на парафин, растущее давление на рентабельность и необходимость перехода к более ресурсоэффективному производству вызвали большой интерес к технологиям, позволяющим сократить потребление парафина без ущерба для надежности технологического процесса. Ультразвуковая эмульгирование позволяет вводить воду в расплавленный парафин, создавая стабильные парафиновые эмульсии.
С помощью высокомощного ультразвука мелкодисперсные капли воды можно ввести в восковую фазу, получая стабильную эмульсию типа «вода в парафине». Когда в парафин эмульгируется до 10 % воды, производители могут уменьшить количество парафина, необходимого на одну свечу, что приводит к непосредственной экономии сырья. Для крупных производителей даже небольшое процентное сокращение расхода парафина может привести к значительной ежегодной экономии затрат.

Почему ультразвуковая эмульгирование идеально подходит для парафинового воска

Вода и парафин по своей природе не смешиваются. Обычные методы смешивания зачастую не позволяют обеспечить мелкодисперсное и равномерное распределение воды в расплавленном парафине, особенно когда требуются капли одинакового размера, воспроизводимость процесса и промышленная производительность. Ультразвуковая эмульгирование решает эту проблему за счет акустической кавитации.
В процессе ультразвуковой обработки высокоинтенсивный ультразвук вызывает образование микроскопических кавитационных пузырьков в жидкой среде. Их разрушение приводит к возникновению локальных высоких сдвиговых сил, турбулентности и интенсивной энергии перемешивания. Компания Hielscher описывает принцип действия ультразвуковых эмульгаторов как использование акустической кавитации для разбиения несмешивающихся жидкостей на очень мелкие капли и их равномерного распределения.
В процессе переработки свечного воска это означает, что вода может гораздо эффективнее диспергироваться в расплавленном парафине, чем при использовании многих ротор-статорных смесителей или мешалок с низким уровнем сдвига. Полученная эмульсия может обеспечить:

• Равномерное распределение мелких капель воды в фазе расплавленного воска
• Повышенная однородность состава свечи
• Сокращение расхода парафина за счет замены части объема воска водой
• Более воспроизводимые партии благодаря возможности регулирования параметров ультразвука
• Эффективная поточная обработка для линий непрерывного производства свечей

Экономия парафина за счет эмульгирования с добавлением до 10 % воды

Экономическая причина проста: парафин — дорогостоящее сырье, тогда как вода стоит недорого и легко доступна. Благодаря ультразвуковому введению в парафиновую матрицу до 10 % воды производители свечей могут сократить расход парафина на единицу продукции.
Например, в условиях производства, где используется 1 000 кг состава для изготовления свечей, замена 10 % парафиновой фазы эмульгированной водой может снизить потребность в парафине на 100 кг, в зависимости от рецептуры и технических характеристик конечного продукта. В промышленных масштабах это может означать значительную экономию на закупке сырья, хранении и логистике.
Главное — не просто добавить воду, а правильно эмульгировать её. Плохо диспергированная вода может расслоиться, привести к появлению дефектов или ухудшить качество обработки. Ультразвуковая эмульгирование создает структуру мелких капель, необходимую для стабильного введения в фазу расплавленного воска. Компания Hielscher особо выделяет ультразвуковые устройства зондового типа в сочетании с ультразвуковыми проточными ячейками как эффективный подход к эмульгированию парафинового воска, повышающий эффективность, однородность, масштабируемость и стабильное качество.

Ультразвуковая обработка позволяет уменьшить размер капель парафина до 160 нм и обеспечить их долговременную стабильность

Научное исследование Джадхава и др. (2015) показывает, что эмульгирование с использованием ультразвука является эффективным способом получения стабильных наноэмульсий типа «парафин в воде», позволяющим преодолеть нестабильность, характерную для традиционных методов инверсионного эмульгирования. Приготовляя эмульсию с соотношением «вода к парафину» 80:20, они оптимизировали ключевые параметры процесса – концентрация поверхностно-активного вещества, приложенная ультразвуковая мощность и время обработки ультразвуком. В оптимизированных технологических условиях исследователи получили капли парафинового воска размером около 160,9 нм, используя 10 мг/мл SDS, 40 % приложенной мощности, что соответствует 0,61 Вт/мл, и 15 минут обработки ультразвуком. Результаты работы показывают, что акустическая кавитация физически разбивает расплавленный парафин на наноразмерные капли, в то время как SDS быстро стабилизирует вновь образовавшуюся границу раздела фаз; данные ДСК и ФТИР подтвердили, что парафин не претерпел химических изменений во время ультразвуковой обработки. Полученные капли были твердыми, сферическими, отрицательно заряженными за счет адсорбции SDS и оставались стабильными более трех месяцев, тогда как эмульсии, приготовленные методом точки инверсии эмульсии, расслаивались или разделялись в течение 30 минут. В целом, важность данной работы заключается в доказательстве того, что ультразвуковая обработка позволяет получать мелкие, стабильные и энергоэффективные наноэмульсии парафинового воска с контролируемым размером капель, высокой физической стабильностью и явным потенциалом для создания масштабируемых составов на основе воска.
 

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), парафиновой эмульсии, подготовленной ультразвуковым методом, при (а) 5000, (б) 20 000
Исследование и иллюстрация: ©Jadhav и др. (2015)

Ультразвуковые аппараты Hielscher для эмульсий типа «вода в воске»

Компания Hielscher Ultrasonics производит ультразвуковые аппараты зондового типа для лабораторной, пилотной и промышленной обработки жидкостей. Ее ультразвуковые системы применяются в таких областях, как эмульгирование, гомогенизация, диспергирование, измельчение частиц, экстракция и химическая обработка.
В производстве свечей главным преимуществом является контроль технологического процесса. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют операторам задавать и воспроизводить ключевые параметры ультразвуковой обработки, включая амплитуду, потребляемую энергию, температуру, давление, расход и время пребывания. Это особенно важно при работе с расплавленным парафином, поскольку вязкость и температура существенно влияют на качество эмульгирования.

Наноэмульсия, полученная ультразвуковым способом

К типичным вариантам реализации относятся:

1. Серийная обработка ультразвуком для разработки рецептур, выпуска небольших партий продукции или изготовления специальных свечей
2. Поточная ультразвуковая обработка с использованием проточных ячеек для непрерывной переработки парафина
3. Реакторы с возможностью создания давления для повышения интенсивности кавитации и контролируемого технологического процесса
4. Системы на салазках для интеграции в существующие промышленные линии по производству свечей

Промышленный ассортимент компании Hielscher включает высокомощные ультразвуковые процессоры, такие как UIP4000hdT, обеспечивающий мощность ультразвука до 4 кВт для выполнения сложных задач промышленной обработки жидкостей, включая гомогенизацию, эмульгирование, диспергирование и мелкое измельчение частиц. Для более крупных производственных мощностей компания Hielscher предлагает такие системы, как UIP16000 — промышленный ультразвуковой процессор мощностью 16 кВт, предназначенный для поточной обработки больших объемов и интеграции в производственные линии.
Параллельное объединение нескольких ультразвуковых аппаратов в кластер обеспечивает резервирование и поэтапное увеличение мощностей по мере роста спроса и расширения бизнеса.

Практическое значение для производителей свечей

Свечная промышленность испытывает сильное давление со стороны затрат, особенно в сфере массового производства чайных свечей, столбовых свечей, вотивных свечей, свечей в контейнерах и декоративных свечей. Колебания цен на парафин напрямую влияют на рентабельность. Ультразвуковая эмульгирование «вода в воске» предоставляет производителям практический способ сократить расход воска, сохраняя при этом масштабируемость и контролируемость производственного процесса.

Промышленная значимость особенно велика в тех случаях, когда производителям требуется:

• Массовое производство с неизменно высоким качеством воска
• Меньший расход парафина на одну свечу
• Непрерывная поточная обработка вместо исключительно пакетного перемешивания
• Надежный перенос процесса из R&D в производство
• Точный контроль качества эмульсии
• Интеграция в существующие линии плавки, дозирования и разливки

Эта технология также представляет интерес для производителей, разрабатывающих новые рецептуры свечей с оптимизированной себестоимостью. Регулируя содержание воды, систему эмульгаторов, температуру воска и мощность ультразвукового воздействия, производители могут адаптировать рецептуру к желаемой форме свечи, характеристикам горения, внешнему виду поверхности и методу производства.
Как и при любом изменении рецептуры свечей, производители должны проверить характеристики горения, внешний вид, стабильность, безопасность, совместимость ароматов и поведение при хранении в своих собственных производственных условиях. Однако ультразвуковая эмульгирование обеспечивает необходимую интенсивность обработки и воспроизводимость результатов, что делает разработку таких рецептур технически осуществимой в промышленных масштабах.

Ультразвуковая обработка как конкурентное преимущество при производстве восковых эмульсий

Для производителей свечей ультразвуковая эмульгирование — это не просто метод перемешивания. Это технология интенсификации технологического процесса, позволяющая сократить затраты на сырье, повысить гибкость рецептур и обеспечить масштабируемость производства.
Ультразвуковые системы Hielscher разработаны именно для решения подобных сложных задач по обработке жидкостей. От лабораторных испытаний с расплавленным парафином до непрерывной эмульгирования в потоке на промышленном производстве — ультразвуковые системы Hielscher обеспечивают необходимую мощность, контроль и масштабируемость для получения эмульсий типа «вода в парафине» при производстве свечного воска.
Благодаря добавлению до 10 % воды в парафин с помощью ультразвуковой кавитации производители свечей могут снизить зависимость от дорогостоящего парафина, сохранив при этом контролируемый и однородный состав воска. Для промышленного производства свечей это дает очевидное экономическое и технологическое преимущество: снижение затрат на сырье, стабильное качество и прямой переход от лабораторной рецептуры к полномасштабному производству.

 
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковые восковые эмульсии: линейное масштабирование от лабораторных условий до промышленного производства

Одним из основных преимуществ ультразвуковой технологии Hielscher является линейное масштабирование. Производители свечей могут начать с небольших экспериментов по проверке технологической осуществимости, оптимизировать рецептуру «вода в парафине», а затем перенести технологические параметры на более крупные установки.
В отличие от многих традиционных технологий смешивания, где масштабирование может потребовать значительной переработки конструкции и неопределённых настроек, ультразвуковое масштабирование основано на воспроизводимых технологических параметрах. Как только станут известны требуемые удельная потребляемая энергия, амплитуда, температура, давление и время пребывания (скорость потока), процесс можно масштабировать за счет увеличения мощности ультразвука и пропускной способности или за счет параллельной работы нескольких ультразвуковых установок.
Данный подход особенно ценен для производителей свечей, поскольку позволяет снизить риски, связанные с разработкой. Рецептура, разработанная на лабораторном или настольном ультразвуковом гомогенизаторе, может быть проверена на пилотном оборудовании, а затем перенесена на полномасштабное промышленное производство. Компания Hielscher отмечает, что настольные гомогенизаторы можно использовать для прикладных исследований, масштабирования, пилотных испытаний, оптимизации процессов и обработки небольших партий, в то время как для крупносерийной потоковой или периодической обработки доступны ультразвуковые зонды высокой мощности от 4 до 16 кВт.
На крупных производственных предприятиях объединение нескольких ультразвуковых процессоров в кластер позволяет обеспечить очень высокую пропускную способность при сохранении одинаковых условий кавитации в каждом реакторе. Такая модульная концепция обеспечивает надежное увеличение производственных мощностей без ущерба для стабильности качества продукции.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература