Emulzie typu „voda v parafínovom vosku“: nákladovo efektívna výroba sviečok pomocou ultrazvuku

Ultrazvuková emulgácia je výkonná spracovateľská technológia pre výrobcov sviečok, ktorí chcú znížiť spotrebu parafínu, zlepšiť kontrolu zloženia a efektívne rozšíriť výrobu. Dispersovaním až 10 % vody do roztaveného parafínového vosku môžu výrobcovia sviečok znížiť náklady na suroviny a zároveň zachovať homogénnu voskovú fázu vhodnú pre priemyselnú výrobu sviečok. Ultrazvukové zariadenia typu sondy spoločnosti Hielscher poskytujú vysokointenzívnu kavitáciu potrebnú na vytvorenie jemných a rovnomerných emulzií typu „voda vo vosku“. – od laboratórnych pokusov až po sériovú výrobu.

Zlepšenie výroby parafínových sviečok pomocou ultrazvukovej emulzifikácie

Parafínový vosk zostáva jednou z najčastejšie používaných surovín pri výrobe sviečok. Kolísavé ceny vosku, rastúci tlak na marže a potreba výroby šetrnejšej k zdrojom však vyvolali veľký záujem o technológie, ktoré znižujú spotrebu parafínu bez ohrozenia spoľahlivosti procesu. Ultrazvuková emulgácia umožňuje zmiešavať vodu s roztaveným parafínom, čím vznikajú stabilné voskové emulzie.
Pomocou vysokovýkonného ultrazvuku je možné do voskovej fázy začleniť jemne rozptýlené kvapôčky vody, čím vznikne stabilná emulzia typu „voda v parafíne“. Keď sa do parafínového vosku emulguje až 10 % vody, výrobcovia môžu znížiť množstvo parafínu potrebného na jednu sviečku, čo priamo vedie k úspore materiálu. Pre veľkovýrobcov môže aj malé percentuálne zníženie spotreby vosku znamenať podstatnú ročnú úsporu nákladov.

Prečo je ultrazvuková emulzifikácia ideálna pre parafínový vosk

Voda a parafínový vosk sa prirodzene nemiešajú. Bežné metódy miešania majú často problémy s jemným a rovnomerným rozptýlením vody v roztavenom vosku, najmä ak sa vyžaduje konzistentná veľkosť kvapiek, reprodukovateľnosť procesu a priemyselná výkonnosť. Ultrazvuková emulgácia rieši tento problém prostredníctvom akustickej kavitácie.
Počas sonikácie vytvára ultrazvuk s vysokou intenzitou v kvapalnom prostredí mikroskopické kavitačné bubliny. Ich kolaps spôsobuje lokálne pôsobenie vysokých šmykových síl, turbulenciu a intenzívnu miešaciu energiu. Spoločnosť Hielscher opisuje ultrazvukové emulgátory ako zariadenia, ktoré využívajú akustickú kavitáciu na rozbitie nemiešateľných kvapalín na veľmi malé kvapôčky a ich rovnomerné rozptýlenie.
V prípade spracovania sviečkového vosku to znamená, že vodu je možné rozptýliť v roztavenom parafíne oveľa účinnejšie než pri použití mnohých miešačov typu rotor-stator alebo miešačov s nízkym šmykom. Výsledná emulzia môže ponúknuť:

• Jemné rozloženie kvapôčok vody vo fáze roztaveného vosku
• Zlepšená homogénnosť v rámci zloženia sviečky
• Zníženie spotreby parafínu nahradením časti objemu vosku vodou
• Vďaka regulovateľným parametrom ultrazvuku sú šarže lepšie reprodukovateľné
• Efektívne spracovanie v línii pre linky na nepretržitú výrobu sviečok

Úspora parafínu prostredníctvom emulgácie s obsahom vody až do 10 %

Ekonomický dôvod je jasný: parafínový vosk je nákladná surovina, zatiaľ čo voda je lacná a ľahko dostupná. Vďaka ultrazvukovému vmiešavaniu až 10 % vody do voskovej matrice môžu výrobcovia sviečok znížiť spotrebu parafínu na jednotku.
Napríklad pri výrobe, pri ktorej sa používa 1 000 kg zmesi na výrobu sviečok, môže nahradenie 10 % parafínovej fázy emulgovanou vodou znížiť spotrebu parafínu až o 100 kg, v závislosti od zloženia zmesi a špecifikácií konečného produktu. V priemyselnom meradle to môže znamenať významné úspory pri nákupe surovín, skladovaní a logistike.
Kľúčom nie je len pridanie vody, ale jej správna emulgácia. Nedostatočne dispergovaná voda sa môže oddeľovať, spôsobiť vady alebo negatívne ovplyvniť spracovanie. Ultrazvuková emulgácia vytvára jemnú štruktúru kvapôčok, ktorá je potrebná na stabilné začlenenie do fázy roztaveného vosku. Spoločnosť Hielscher osobitne zdôrazňuje sonikátory s sondou v kombinácii s ultrazvukovými prietokovými komorami ako účinný prístup k emulgácii parafínového vosku, ktorý zlepšuje účinnosť, rovnomernosť, škálovateľnosť a konzistentnú kvalitu.

Ultrazvukové spracovanie zmenšuje kvapôčky parafínového vosku na veľkosť 160 nm a zabezpečuje ich dlhodobú stabilitu

Vedecká štúdia autorov Jadhav a kol. (2015) dokazuje, že emulgácia za pomoci ultrazvuku je účinným spôsobom výroby stabilných nanoemulzií typu „parafínový vosk vo vode“, čím sa prekonáva nestabilita typická pre konvenčné metódy inverzie emulzií. Pri príprave emulzie s pomerom voda : parafín 80 : 20 optimalizovali kľúčové premenné procesu – koncentrácia povrchovo aktívnej látky, aplikovaný ultrazvukový výkon a doba sonikácie. Za optimalizovaných procesných podmienok dosiahli výskumníci kvapôčky parafínového vosku s veľkosťou približne 160,9 nm pri použití 10 mg/ml SDS, 40 % aplikovaného výkonu zodpovedajúceho 0,61 W/ml a 15-minútovej sonikácii. Táto práca ukazuje, že akustická kavitácia fyzikálne rozbíja roztavený parafín na kvapôčky v nanoměřítku, zatiaľ čo SDS rýchlo stabilizuje novo vytvorené rozhranie; DSC a FTIR potvrdili, že parafínový vosk nebol počas sonikácie chemicky zmenený. Výsledné kvapôčky boli pevné, sférické, negatívne nabité v dôsledku adsorpcie SDS a stabilné po dobu viac ako troch mesiacov, zatiaľ čo emulzie pripravené metódou inverzného bodu emulzie sa zrážali alebo oddeľovali do 30 minút. Celkovo spočíva tento pokrok v dokázaní, že ultrazvukové spracovanie môže produkovať jemné, stabilné, nízkoenergetické nanoemulzie parafínového vosku s kontrolovanou veľkosťou kvapôčok, vysokou fyzikálnou stabilitou a jasným potenciálom pre škálovateľné formulácie na báze vosku.
 

Snímky z rastrovej elektrónovej mikroskopie (SEM) emulzie parafínového vosku pripravenej ultrazvukom pri (a) 5000, (b) 20 000
Štúdia a obrázok: ©Jadhav et al. (2015)

Ultrazvukové zariadenia Hielscher pre emulzie typu „voda vo vosku“

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába ultrazvukové zariadenia so sondou určené na spracovanie kvapalín v laboratórnych, pilotných a priemyselných podmienkach. Jej ultrazvukové systémy sa využívajú v rôznych aplikáciách, ako sú emulgácia, homogenizácia, dispergácia, zmenšovanie veľkosti častíc, extrakcia a chemické spracovanie.
Pri výrobe sviečok je hlavnou výhodou riadenie procesu. Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher umožňujú obsluhe definovať a reprodukovateľne nastaviť kľúčové parametre sonikácie, vrátane amplitúdy, príkona, teploty, tlaku, prietoku a doby zdržania. To je obzvlášť dôležité v prípade roztaveného parafínového vosku, kde viskozita a teplota výrazne ovplyvňujú kvalitu emulgácie.

Nanoemulzia vyrobená ultrazvukom

Medzi typické možnosti implementácie patria:

1. Hromadná sonikácia pre vývoj receptúr, malé výrobné šarže alebo špeciálne sviečky
2. Inline sonikácia s prietokovými komorami pre kontinuálne spracovanie vosku
3. Reaktory s možnosťou zvýšenia tlaku na zvýšenie intenzity kavitácie a riadené spracovanie
4. Systémy namontované na podvozku určené na integráciu do existujúcich priemyselných liniek na výrobu sviečok

Priemyselné portfólio spoločnosti Hielscher zahŕňa vysokovýkonné ultrazvukové procesory, ako je napríklad model UIP4000hdT, ktorý poskytuje ultrazvukový výkon až 4 kW pre náročné priemyselné úlohy spracovania kvapalín, vrátane homogenizácie, emulgácie, disperzie a jemného mletia častíc. Pre väčšie výrobné kapacity ponúka spoločnosť Hielscher systémy, ako je napríklad UIP16000, 16 kW priemyselný ultrazvukový procesor určený na veľkoobjemové inline spracovanie a integráciu do výrobných prostredí.
Paralelné zapojenie viacerých ultrazvukových zariadení umožňuje zabezpečiť redundanciu a postupné zvyšovanie kapacity v súvislosti s rastúcim dopytom a rozširovaním podnikania.

Význam pre výrobcov sviečok v priemysle

Odvetvie výroby sviečok čelí silnému nákladovému tlaku, najmä pri hromadnej výrobe čajových sviečok, stĺpových sviečok, votívnych sviečok, sviečok v nádobách a dekoratívnych sviečok. Kolísanie cien parafínového vosku priamo ovplyvňuje ziskovosť. Ultrazvuková emulgácia typu „voda vo vosku“ poskytuje výrobcom praktický spôsob, ako znížiť spotrebu vosku a zároveň zachovať škálovateľný a kontrolovateľný výrobný proces.

Význam pre priemysel je obzvlášť veľký v prípadoch, keď výrobcovia potrebujú:

• Sériová výroba s konzistentnou kvalitou vosku
• Nižšia spotreba parafínu na jednu sviečku
• Neprerušované spracovanie v linke namiesto miešania výlučne v dávkach
• Spoľahlivý prenos procesu z R&D do výroby
• Presná kontrola kvality emulzie
• Integrácia do existujúcich liniek na tavenie, dávkovanie a odlievanie

Táto technológia je atraktívna aj pre výrobcov, ktorí vyvíjajú nové receptúry sviečok s optimalizovanými nákladmi. Úpravou obsahu vody, systému emulgátorov, teploty vosku a prívodu ultrazvukovej energie môžu výrobcovia prispôsobiť receptúru požadovanej geometrii sviečky, správaniu pri horení, povrchovej úprave a výrobnej metóde.
Rovnako ako pri každej zmene zloženia sviečky by výrobcovia mali overiť vlastnosti horenia, vzhľad, stabilitu, bezpečnosť, kompatibilitu vône a správanie pri skladovaní za svojich vlastných výrobných podmienok. Ultrazvuková emulgácia však poskytuje intenzitu spracovania a reprodukovateľnosť potrebnú na to, aby bol takýto vývoj zloženia technicky realizovateľný v priemyselnom meradle.

Ultrazvukové spracovanie ako konkurenčná výhoda pri výrobe voskových emulzií

Pre výrobcov sviečok je ultrazvuková emulgácia viac než len metóda miešania. Ide o technológiu na zintenzívnenie výrobného procesu, ktorá dokáže znížiť náklady na suroviny, zvýšiť flexibilitu receptúr a podporiť škálovateľnú výrobu.
Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher sú navrhnuté práve pre tento typ náročných úloh spracovania kvapalín. Od laboratórnych pokusov s roztaveným parafínom až po nepretržitú inline emulgáciu v priemyselnej výrobe – ultrazvukové systémy spoločnosti Hielscher poskytujú výkon, kontrolu a škálovateľnosť potrebnú pre emulzie sviečkového vosku typu „voda v parafíne“.
Vďaka začleneniu až 10 % vody do parafínového vosku pomocou ultrazvukovej kavitácie môžu výrobcovia sviečok znížiť závislosť od drahého parafínu a zároveň zachovať kontrolované a homogénne zloženie vosku. Pre priemyselnú výrobu sviečok to prináša jasnú ekonomickú a prevádzkovú výhodu: nižšie náklady na materiál, reprodukovateľnú kvalitu a priamy prechod od receptúry v laboratórnom meradle k výrobe v plnom rozsahu.

 
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Ultrazvukové voskové emulzie: Lineárne zväčšovanie výroby z laboratórnej úrovne na priemyselnú výrobu

Jednou z hlavných výhod ultrazvukovej technológie spoločnosti Hielscher je lineárne škálovanie. Výrobcovia sviečok môžu začať s testovaním uskutočniteľnosti v malom meradle, optimalizovať zloženie zmesi „voda v parafíne“ a následne preniesť parametre procesu do väčších systémov.
Na rozdiel od mnohých konvenčných technológií miešania, pri ktorých môže zväčšenie výrobného rozsahu vyžadovať zásadné prepracovanie návrhu a neisté úpravy, je zväčšenie výrobného rozsahu pomocou ultrazvuku založené na reprodukovateľných parametroch procesu. Akonáhle sú známe požadované hodnoty špecifického príkona, amplitúdy, teploty, tlaku a doby zdržania (rýchlosti prúdenia), je možné proces zväčšiť zvýšením ultrazvukového výkonu a priepustnosti alebo prevádzkou viacerých ultrazvukových jednotiek paralelne.
Tento prístup je obzvlášť cenný pre výrobcov sviečok, pretože znižuje riziko spojené s vývojom. Zloženie vyvinuté na laboratórnom alebo stolnom ultrazvukovom zariadení je možné overiť na pilotnom zariadení a následne preniesť do plnohodnotnej priemyselnej výroby. Spoločnosť Hielscher poukazuje na to, že stolové homogenizátory je možné využiť na aplikovaný výskum, prácu na zväčšovaní mierky, pilotné štúdie, optimalizáciu procesov a spracovanie menších dávok, zatiaľ čo pre veľkoobjemové inline alebo dávkové spracovanie sú k dispozícii vysokovýkonné ultrazvukové sondy s výkonom od 4 do 16 kW.
V prípade veľkých výrobných závodov umožňuje zoskupenie viacerých ultrazvukových procesorov dosiahnuť veľmi vysokú priepustnosť pri zachovaní rovnakých kavitačných podmienok v každom reaktore. Tento modulárny koncept umožňuje spoľahlivé zvýšenie kapacity bez toho, aby bola ohrozená konzistentnosť produktu.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie