Emulzie vody v parafínovom vosku: nákladovo efektívna výroba sviečok pomocou ultrazvuku

Ultrazvuková emulgácia je účinná technológia spracovania pre výrobcov sviečok, ktorí chcú znížiť spotrebu parafínu, zlepšiť kontrolu nad zložením a efektívne zvyšovať objem výroby. Dispergovaním až 10% vody do roztaveného parafínového vosku môžu výrobcovia sviečok znížiť náklady na suroviny a zároveň zachovať homogénnu voskovú fázu vhodnú na priemyselnú výrobu sviečok. Sonikátory Hielscher so sondou zabezpečujú kavitáciu s vysokou intenzitou potrebnú na vytváranie jemných, rovnomerných emulzií vody vo vosku – od laboratórnych skúšok až po kontinuálnu výrobu v priemyselnom meradle.

Zlepšite výrobu parafínových sviečok pomocou ultrazvukovej emulgácie

Parafínový vosk zostáva jednou z najpoužívanejších surovín pri výrobe sviečok. Kolísajúce ceny vosku, rastúci tlak na marže a potreba výroby s efektívnejším využívaním zdrojov však vyvolali veľký záujem o technológie, ktoré znižujú spotrebu parafínu bez zníženia spoľahlivosti procesu. Ultrazvuková emulgácia umožňuje vmiešať vodu do roztaveného parafínového vosku a vytvoriť stabilné voskové emulzie.
Pomocou vysokovýkonného ultrazvuku možno do voskovej fázy začleniť jemne dispergované kvapôčky vody a vytvoriť tak stabilnú emulziu vody v parafíne. Keď sa do parafínového vosku emulguje až 10% vody, výrobcovia môžu znížiť množstvo parafínu potrebného na jednu sviečku, čím dosiahnu priamu úsporu materiálu. Pri veľkoobjemovej výrobe môže aj malé percentuálne zníženie spotreby vosku viesť k značným ročným úsporám nákladov.

Prečo je ultrazvuková emulgácia ideálna pre parafínový vosk

Voda a parafínový vosk sú prirodzene nemiešateľné. Bežné metódy miešania majú často problém jemne a rovnomerne dispergovať vodu do roztaveného vosku, najmä ak sa vyžaduje rovnomerná veľkosť kvapôčok, reprodukovateľnosť procesu a priemyselná kapacita spracovania. Ultrazvuková emulgácia rieši tento problém prostredníctvom akustickej kavitácie.
Počas sonikácie vytvára ultrazvuk s vysokou intenzitou v kvapalnom médiu mikroskopické kavitačné bubliny. Ich kolaps vyvoláva lokálne veľké šmykové sily, turbulenciu a vysokú energiu miešania. Hielscher opisuje ultrazvukové emulgátory ako zariadenia, ktoré využívajú akustickú kavitáciu na rozbíjanie nemiešateľných kvapalín na veľmi malé kvapôčky a ich rovnomerné rozptýlenie.
Pri spracovaní vosku na sviečky to znamená, že vodu možno dispergovať do roztaveného parafínu oveľa účinnejšie než pomocou mnohých rotorovo-statorových miešačov alebo miešadiel s nízkym šmykom. Výsledná emulzia môže ponúknuť:

• Rozptýlenie jemných kvapôčok vody v roztavenej voskovej fáze
• Zlepšenú homogenitu celej zmesi na výrobu sviečok
• Zníženú spotrebu parafínu nahradením časti objemu vosku vodou
• Lepšiu reprodukovateľnosť šarží vďaka regulovateľným parametrom ultrazvuku
• Efektívne spracovanie priamo v toku v kontinuálnych linkách na výrobu sviečok

Úspora parafínu emulgovaním až 10% vody

Ekonomický dôvod je priamočiary: parafínový vosk je nákladná základná surovina, zatiaľ čo voda je lacná a ľahko dostupná. Ultrazvukovým zapracovaním až 10% vody do voskovej matrice môžu výrobcovia sviečok znížiť spotrebu parafínu na jednotku.
Napríklad pri výrobe s použitím 1 000 kg voskovej zmesi na sviečky môže nahradenie 10% parafínovej fázy emulgovanou vodou znížiť potrebu parafínu až o 100 kg v závislosti od zloženia zmesi a špecifikácií konečného výrobku. V priemyselnom meradle to môže predstavovať významné úspory pri nákupe surovín, skladovaní a logistike.
Kľúčové nie je iba pridať vodu, ale správne ju emulgovať. Nedostatočne dispergovaná voda sa môže oddeliť, spôsobiť chyby alebo narušiť spracovanie. Ultrazvuková emulgácia vytvára štruktúru jemných kvapôčok potrebnú na stabilné zapracovanie do roztavenej voskovej fázy. Hielscher osobitne vyzdvihuje sondové sonikátory v kombinácii s ultrazvukovými prietokovými celami ako účinný spôsob emulgácie parafínového vosku, ktorý zlepšuje účinnosť, rovnomernosť, možnosti zväčšovania výrobného meradla a stálosť kvality.

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

Vedecká štúdia Jadhav et al. (2015) dokazuje, že emulgácia podporovaná ultrazvukom je účinným spôsobom výroby stabilných nanoemulzií parafínového vosku vo vode, ktorý prekonáva nestabilitu typickú pre konvenčné metódy inverzie emulzie. Pri príprave emulzie s pomerom vody k parafínu 80:20 optimalizovali kľúčové procesné premenné – koncentráciu povrchovo aktívnej látky, aplikovaný ultrazvukový výkon a čas sonikácie. Pri optimalizovaných procesných podmienkach výskumníci dosiahli 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 minút sonikácie. Práca ukazuje, že akustická kavitácia fyzikálne rozrušuje roztavený parafín na kvapôčky s nanometrovými rozmermi, zatiaľ čo SDS rýchlo stabilizuje novovzniknuté fázové rozhranie; DSC a FTIR potvrdili, že parafínový vosk sa počas sonikácie chemicky nezmenil. Výsledné kvapôčky boli tuhé, guľovité, záporne nabité v dôsledku adsorpcie SDS a stabilné viac ako tri mesiace, zatiaľ čo pri emulziách pripravených metódou bodu inverzie emulzie došlo ku krémovaniu alebo oddeleniu fáz do 30 minút. Celkovo tento pokrok spočíva v preukázaní, že ultrazvukovým spracovaním možno vytvárať jemné, stabilné, nízkoenergetické nanoemulzie parafínového vosku s kontrolovanou veľkosťou kvapôčok, vysokou fyzikálnou stabilitou a jasným potenciálom pre zmesi na báze vosku s možnosťou zväčšovania výrobného meradla.
 

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

Sonikátory Hielscher na emulzie vody vo vosku

Hielscher Ultrasonics vyrába sondové sonikátory na laboratórne, poloprevádzkové a priemyselné spracovanie kvapalín. Jeho ultrazvukové systémy sa používajú na aplikácie, ako sú emulgácia, homogenizácia, dispergovanie, zmenšovanie veľkosti častíc, extrakcia a chemické spracovanie.
Pri výrobe sviečok je hlavnou výhodou riadenie procesu. Sonikátory Hielscher umožňujú obsluhe definovať a reprodukovať kľúčové parametre sonikácie vrátane amplitúdy, prívodu energie, teploty, tlaku, objemového prietoku a času zdržania. To je obzvlášť dôležité pri roztavenom parafínovom vosku, pri ktorom viskozita a teplota výrazne ovplyvňujú kvalitu emulgácie.

Nanoemulzia vyrobená ultrazvukom

Medzi typické možnosti realizácie patria:

1. Vsádzková sonikácia na vývoj zloženia, malé výrobné šarže alebo špeciálne sviečky
2. Sonikácia priamo v linke s prietokovými celami na kontinuálne spracovanie vosku
3. Reaktory umožňujúce natlakovanie na zvýšenie intenzity kavitácie a riadené spracovanie
4. Systémy namontované na nosnom ráme na integráciu do existujúcich priemyselných liniek na výrobu sviečok

Priemyselné portfólio spoločnosti Hielscher zahŕňa vysokovýkonné ultrazvukové procesory, ako je UIP4000hdT, ktorý poskytuje ultrazvukový výkon až 4 kW na náročné priemyselné spracovanie kvapalín vrátane homogenizácie, emulgácie, dispergácie a jemného mletia častíc. Pre väčšie výrobné kapacity ponúka Hielscher systémy, ako je UIP16000, priemyselný ultrazvukový procesor s výkonom 16 kW určený na veľkoobjemové prietokové spracovanie a integráciu do výrobných prevádzok.
Paralelné prepojenie viacerých sonikátorov umožňuje redundanciu a postupné zväčšovanie výrobného meradla s rastúcim dopytom a rozširovaním podnikania.

Význam pre priemyselných výrobcov sviečok

Odvetvie výroby sviečok čelí silnému tlaku na náklady, najmä pri výrobe čajových, valcových, votívnych, nádobových a dekoratívnych sviečok pre masový trh. Kolísanie cien parafínového vosku priamo ovplyvňuje ziskovosť. Ultrazvuková emulgácia vody vo vosku poskytuje výrobcom praktický spôsob, ako znížiť spotrebu vosku pri zachovaní výrobného procesu, ktorého meradlo možno zväčšovať a ktorý možno riadiť.

Význam pre priemyselnú výrobu je obzvlášť veľký tam, kde výrobcovia potrebujú:

• Veľkoobjemovú výrobu s konzistentnou kvalitou vosku
• Nižšiu spotrebu parafínu na sviečku
• Kontinuálne prietokové spracovanie namiesto výlučne vsádzkového miešania
• Spoľahlivý prenos procesu z výskumu a vývoja do výroby
• Presnú kontrolu nad kvalitou emulzie
• Integráciu do existujúcich taviacich, dávkovacích a odlievacích liniek

Táto technológia je atraktívna aj pre výrobcov, ktorí vyvíjajú nové zloženia sviečok s optimalizovanými nákladmi. Úpravou obsahu vody, emulgačného systému, teploty vosku a prívodu ultrazvukovej energie môžu výrobcovia prispôsobiť zloženie požadovanej geometrii sviečky, správaniu pri horení, povrchovej úprave a spôsobu výroby.
Ako pri každej zmene zloženia sviečok by výrobcovia mali vo vlastných výrobných podmienkach overiť vlastnosti pri horení, vzhľad, stabilitu, bezpečnosť, kompatibilitu s vonnými látkami a správanie počas skladovania. Ultrazvuková emulgácia však poskytuje intenzitu spracovania a reprodukovateľnosť potrebné na to, aby bol vývoj takéhoto zloženia technicky uskutočniteľný v priemyselnom meradle.

Ultrazvukové spracovanie ako konkurenčná výhoda pri voskových emulziách

Pre výrobcov sviečok je ultrazvuková emulgácia viac než len metóda miešania. Je to technológia intenzifikácie procesu, ktorá môže znížiť náklady na suroviny, zvýšiť flexibilitu pri tvorbe zloženia a podporiť výrobu, ktorej meradlo možno zväčšovať.
Sonikátory Hielscher sú navrhnuté presne na tento typ náročného spracovania kvapalín. Od laboratórnych skúšok s roztaveným parafínom až po kontinuálnu prietokovú emulgáciu v priemyselnej výrobe poskytujú ultrazvukové systémy Hielscher výkon, riadenie a možnosť zväčšovania meradla potrebné na prípravu emulzií vody v parafínovom vosku na sviečky.
Začlenením až 10% vody do parafínového vosku pomocou ultrazvukovej kavitácie môžu výrobcovia sviečok znížiť závislosť od drahého parafínu pri zachovaní kontrolovaného, homogénneho zloženia vosku. Pre priemyselnú výrobu sviečok to vytvára jasnú ekonomickú a prevádzkovú výhodu: nižšie materiálové náklady, reprodukovateľnú kvalitu a priamu cestu od vývoja zloženia v laboratórnom meradle k výrobe v plnom rozsahu.

 
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Ultrazvukom pripravené voskové emulzie: lineárne zväčšovanie meradla od laboratória po priemyselnú výrobu

Jednou z hlavných výhod ultrazvukovej technológie Hielscher je lineárne zväčšovanie mierky procesu. Výrobcovia sviečok môžu začať testovaním uskutočniteľnosti v malej mierke, optimalizovať zloženie emulzie vody v parafíne a potom preniesť procesné parametre na väčšie systémy.
Na rozdiel od mnohých konvenčných technológií miešania, pri ktorých si zväčšovanie mierky môže vyžadovať zásadné konštrukčné zmeny a úpravy s neistým výsledkom, je zväčšovanie mierky ultrazvukového procesu založené na reprodukovateľných procesných parametroch. Keď sú známe požadovaná merná dodaná energia, amplitúda, teplota, tlak a čas zotrvania (rýchlosť prúdenia), mierku procesu možno zväčšiť zvýšením ultrazvukového výkonu a spracovateľskej kapacity alebo paralelnou prevádzkou viacerých ultrazvukových jednotiek.
Tento prístup je pre výrobcov sviečok obzvlášť cenný, pretože znižuje riziko pri vývoji. Zloženie vyvinuté na laboratórnom alebo stolovom sonikátore možno overiť na poloprevádzkovom zariadení a potom preniesť do plnej priemyselnej výroby. Hielscher uvádza, že stolové homogenizátory možno používať na aplikačný výskum, práce na zväčšovaní mierky, poloprevádzkové štúdie, optimalizáciu procesov a spracovanie menších šarží, zatiaľ čo na kontinuálne prietokové alebo šaržové spracovanie veľkých objemov sú k dispozícii vysokovýkonné ultrazvukové sondy s výkonom od 4 do 16 kW.
Vo veľkých výrobných závodoch umožňuje zoskupenie viacerých ultrazvukových procesorov dosiahnuť veľmi vysokú spracovateľskú kapacitu pri zachovaní rovnakých kavitačných podmienok v každom reaktore. Táto modulárna koncepcia podporuje spoľahlivé rozširovanie kapacity pri zachovaní konzistentnej kvality produktu.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a najvyššími štandardmi konštrukčného vyhotovenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Samozrejme, ultrazvukové zariadenia Hielscher sú v zhode s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.