Sterilizacija brez biocidov in dispergiranje premazov na vodni osnovi

Premazi na vodni osnovi se pogosto uporabljajo, ker omogočajo formulacije z nizko vsebnostjo hlapnih organskih spojin (VOC), varnejše ravnanje in bolj trajnostno proizvodnjo. Hkrati so zaradi vsebnosti vode zelo dovzetni za mikrobno kontaminacijo. Bakterije, kvasovke in plesni lahko v izdelek vstopijo prek surovin, rezervoarjev, cevovodov, polnilnih sistemov ali zaradi izpostavljenosti okolju med proizvodnjo in skladiščenjem. Ko pride do kontaminacije, se lahko mikroorganizmi hitro razmnožijo ter ogrozijo kakovost izdelka in njegov rok uporabnosti.
Zato je mikrobna stabilnost ključni dejavnik kakovosti barv, premazov, črnil in pigmentnih disperzij na vodni osnovi.

Sonikacija združuje dispergiranje pigmentov in obvladovanje mikroorganizmov v enem industrijskem procesu

Proizvajalci se za preprečevanje kvarjenja tradicionalno zanašajo na konzervanse in biocide za zaščito izdelka v embalaži. Vendar vse večji regulativni pritisk in naraščajoče povpraševanje po čistejših formulacijah spodbujata iskanje alternativ. Visokointenzivna sonikacija ponuja zelo učinkovito rešitev, saj omogoča hkratno dispergiranje in sterilizacijo v enem procesnem koraku.
Za proizvajalce premazov to pomeni, da ultrazvočna obdelava ni le tehnologija dispergiranja. Je tudi zmogljivo procesno orodje za izboljšanje mikrobiološke stabilnosti, ki hkrati podpira strategije oblikovanja formulacij z nizko vsebnostjo biocidov ali brez njih.

Zakaj je mikrobna stabilnost industrijsko ključnega pomena pri barvah na vodni osnovi

Mikrobna kontaminacija neposredno vpliva na kakovost izdelka in zanesljivost procesa: mikrobna stabilnost barv je za industrijo zelo pomembna, saj lahko rast mikroorganizmov povzroči vrsto napak izdelkov in težav v proizvodnji. Formulacije na vodni osnovi pogosto vsebujejo organske sestavine, kot so veziva, dispergatorji, omočila, zgoščevala in sredstva proti penjenju. Te sestavine lahko ustvarijo ugodno okolje za rast mikroorganizmov, če med obdelavo ali skladiščenjem pride do kontaminacije.

V industrijski praksi lahko nezadostno obvladovanje mikroorganizmov povzroči:

• odstopanja viskoznosti in spremembe pH
• nastajanje plina in napihovanje embalaže
• neprijeten vonj in spremembo barve
• zmanjšano stabilnost pri skladiščenju
• napake premaznega filma in neenakomerno obnašanje pri nanašanju
• pri potopnih kopelih – pogostejše čiščenje in zastoje zaradi kontaminacije

Mikrobno kvarjenje ne poškoduje le izdelka. Povzroči lahko tudi ponavljajoče se higienske težave v rezervoarjih, ceveh in recirkulacijskih zankah, kar vodi do proizvodnih izgub, ponovne obdelave, reklamacij strank in stroškov odstranjevanja. Zato mikrobna stabilnost ni drugotna lastnost. Je temeljna zahteva za komercialno uspešne premaze na vodni osnovi.

Kako sonikacija deluje v premazih na vodni osnovi

Akustična kavitacija ustvarja intenziven strig in s tem razgradnjo mikrobnih celic: ultrazvok visoke moči deluje prek akustične kavitacije. Ko ultrazvočni valovi prehajajo skozi tekočino, nastajajo mikroskopski mehurčki, ki rastejo in implodirajo. Ti kavitacijski dogodki ustvarjajo izrazito lokalizirane strižne sile, turbulenco, spremembe tlaka in mikrocurek.
V premazih na vodni osnovi so ti kavitacijski učinki dragoceni, ker hkrati delujejo na delce in mikroorganizme. Pigmentni aglomerati se učinkovito razgradijo v drobnejše delce, mikrobne celice pa se mehansko poškodujejo in inaktivirajo. Zato je sonikacija posebej privlačna za formulacije, pri katerih sta bistveni tako kakovost dispergiranja kot mikrobna stabilnost.

En procesni korak zagotavlja dve ključni funkciji

Namesto da bi dispergiranje pigmentov in obvladovanje mikroorganizmov obravnavali kot ločeni nalogi, ju sonikacija združuje v eni operaciji. Ta dvojni učinek prinaša jasno industrijsko prednost.

Ista ultrazvočna energija, ki deaglomerira skupke pigmentov in enakomerno dispergira delce, lahko tudi zmanjša obremenitev premaza z živimi mikroorganizmi. Sonikacija zato omogoča:

• drobnejšo in enakomernejšo disperzijo pigmentov
• izboljšano barvno moč in optično enotnost
• zmanjšano mikrobno kontaminacijo med obdelavo
• izboljšano stabilnost izdelkov na vodni osnovi pri skladiščenju
• manjšo odvisnost od konzervansov in biocidov za zaščito izdelka v embalaži

Zato je sonikacija zelo pomembna za razvoj bolj trajnostnih premaznih sistemov s čistejšim seznamom sestavin.
 

Ultrazvočno dispergiran silicijev dioksid: rdeča krivulja – neobdelan; zelena krivulja: po ultrazvočnem dispergiranju

Prednosti hkratnega dispergiranja in sterilizacije pigmentov za barve

1. Boljša kakovost dispergiranja izboljša lastnosti premaza
   Pigmenti in polnila pogosto tvorijo aglomerate, ki jih ob nezadostni mehanski energiji težko razbijemo. Sonikacija zagotavlja intenziven in ciljno usmerjen strig, zato je zelo učinkovita pri deaglomeraciji in zmanjševanju velikosti delcev. Drobnejša disperzija lahko izboljša več lastnosti končnega premaza, vključno z razvojem barve, prekrivnostjo, sijajem in dolgoročno stabilnostjo.
2. Hkratna sterilizacija podpira zmanjševanje uporabe biocidov
   Hkrati lahko ultrazvočna kavitacija poškoduje mikrobne celice, prisotne v tekoči fazi. To zmanjša kontaminacijo v toku izdelka in pomaga izboljšati mikrobno stabilnost brez izključnega zanašanja na kemično konzerviranje. Za proizvajalce, ki si prizadevajo za sisteme z nizko vsebnostjo biocidov ali brez njih, je to pomembna procesna prednost.
3. Intenzifikacija procesa zmanjšuje kompleksnost
   Združevanje dveh ključnih procesnih ciljev v enem koraku obdelave v pretočnem sistemu poenostavi proizvodnjo. Namesto dodajanja ločenih stopenj obdelave za dispergiranje in obvladovanje mikroorganizmov lahko proizvajalci premazov oboje vključijo v en nadzorovan proces sonikacije. To zmanjša potrebo po ravnanju z materialom, podpira čistejšo proizvodnjo in izboljša ponovljivost.

Zakaj obdelava brez biocidov pridobiva pomen

Regulativne, okoljske in tržne zahteve preoblikujejo strategije formuliranja
Prehod na premaze z nizko vsebnostjo biocidov in brez njih spodbuja več industrijskih dejavnikov. Regulativni okviri postajajo strožji, okoljska pričakovanja se povečujejo, stranke pa zahtevajo varnejše in bolj trajnostne izdelke z manj skrb vzbujajočimi snovmi.
V tem okviru fizikalne procesne tehnologije pridobivajo strateški pomen. Sonikacija je posebej privlačna, ker ne zamenja zgolj enega dodatka z drugim. Uvaja nekemično načelo obdelave, ki z mehansko energijo izboljša tako dispergiranje kot mikrobno stabilnost.

Za razvijalce formulacij in vodje proizvodnje to prinaša več prednosti:

• podporo bolj trajnostnim zasnovam izdelkov
• zmanjšano odvisnost od običajnih konzervansov
• izboljšano higieno procesa
• močnejši tržni položaj premazov na vodni osnovi naslednje generacije

Zakaj so sonikatorji Hielscher najboljša rešitev za industrijsko proizvodnjo premazov

Natančno krmiljenje za ponovljive pogoje obdelave

Sonikatorji Hielscher so zasnovani za krmiljenje industrijskih procesov. Pri proizvodnji premazov je natančno krmiljenje parametrov sonikacije bistveno, saj je obnašanje formulacije odvisno od vrste pigmenta, vsebnosti trdnih snovi, viskoznosti, temperature, pretoka in intenzivnosti obdelave.

Sistemi Hielscher omogočajo natančno prilagajanje pomembnih procesnih parametrov, kot so:

• amplituda
• tlak
• pretok / zadrževalni čas
• temperatura
• vnos energije

Ta natančnost proizvajalcem omogoča optimizacijo dispergiranja pigmentov, s čimer izboljšajo kakovost formulacije in dosežejo ponovljivo zmanjšanje števila mikroorganizmov.

Posnetki vegetativnih celic B. subtilis z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) pred (a) in po izpostavitvi ultrazvoku za 30 min (b), (c).
Študija in slika: © Hashimoto et al., 2020

Pretočne celice z možnostjo delovanja pod tlakom za intenzivnejšo sonikacijo

Povišan tlak poveča intenzivnost kavitacije
Ključna prednost tehnologije Hielscher je uporaba reaktorjev s pretočnimi celicami, ki lahko delujejo pod tlakom. Tlak močno vpliva na obnašanje kavitacije. Pri povišanem tlaku postane kavitacija intenzivnejša in učinkovitejša, kar je posebej dragoceno za zahtevne disperzije in neprekinjeno inaktivacijo mikroorganizmov.

Pretočne celice z možnostjo delovanja pod tlakom omogočajo:

• intenzivnejšo ultrazvočno obdelavo
• učinkovitejšo deaglomeracijo
• izboljšano učinkovitost procesa

Za industrijske obrate za proizvodnjo premazov to pomeni, da je ultrazvočno obdelavo mogoče prilagoditi ne le izvedljivosti v laboratorijskem merilu, temveč tudi dejanski proizvodni zmogljivosti in zahtevam izdelka.

Obdelava v pretočnem sistemu za neprekinjeno proizvodnjo

Sonikacijo je mogoče vključiti neposredno v proizvodno linijo
Sonikatorji Hielscher so zelo primerni za obdelavo v pretočnem sistemu. To omogoča neprekinjeno obdelavo premazov na vodni osnovi med njihovim prehajanjem skozi proizvodni sistem. Sonikacija v pretočnem sistemu se dobro vključuje v industrijsko proizvodnjo, saj se z njo izognemo nepotrebnemu ravnanju s šaržami in jo je mogoče vključiti v pretočne zanke, recirkulacijske sisteme ali namenske procesne linije.

Obdelava v pretočnem sistemu prinaša jasne obratovalne prednosti:

• neprekinjeno obdelavo pod določenimi pogoji
• preprosto vključitev v obstoječe obrate
• zmanjšano potrebo po ročnem ravnanju
• izboljšano učinkovitost in doslednost procesa

Za proizvajalce premazov je zato sonikacija praktična proizvodna tehnologija.

TiO2, posušen z razprševanjem, pred ultrazvočnim mletjem in po njem

Linearno povečevanje merila od laboratorija do industrijske proizvodnje

Procesne parametre je mogoče zanesljivo prenašati med različnimi merili
Povečevanje merila je ključno vprašanje pri razvoju procesov. Ultrazvočni sistemi Hielscher so zasnovani za linearno povečevanje merila, kar pomeni, da je mogoče procesne pogoje, vzpostavljene v laboratorijskem ali pilotnem merilu, sistematično prenesti v industrijsko proizvodnjo.
To je posebej pomembno za podjetja, ki razvijajo inovativne premaze z nizko vsebnostjo biocidov, saj zmanjšuje tveganje med uvedbo in pomaga pospešiti komercializacijo.

Prednosti linearnega povečevanja merila vključujejo:

• lažji razvoj procesa
• zanesljiv prenos iz raziskav in razvoja v proizvodnjo
• predvidljivo delovanje pri večji zmogljivosti obdelave
• manjšo negotovost pri povečevanju merila

Preprosto čiščenje in higienska zasnova procesa

Možnost čiščenja je pomembna, kadar je cilj mikrobna stabilnost
Če je obvladovanje mikroorganizmov ključni procesni cilj, postane higiena opreme še pomembnejša. Sonikatorji Hielscher so zasnovani za praktično industrijsko čiščenje in preprosto vključitev v higienska procesna okolja.

Preprosto čiščenje proizvajalcem pomaga:

• zmanjšati tveganja kontaminacije v opremi
• ustaviti rast mikroorganizmov
• skrajšati čas, potreben za čiščenje in vzdrževanje
• izboljšati zanesljivost procesa skozi ponavljajoče se proizvodne cikle

Pri premazih na vodni osnovi, pri katerih lahko kontaminacija vztraja v rezervoarjih, mrtvih conah in pretočnih sistemih, ultrazvočna oprema, ki jo je preprosto čistiti, neposredno prispeva k stabilnosti izdelka in robustnosti obratovanja.

Kredna barva, obdelana s sonikacijo, na grindometru kaže popolnoma enakomerno deaglomeracijo in porazdelitev velikosti delcev pigmentov

Ponovljivi rezultati za industrijsko zagotavljanje kakovosti

Doslednost je bistvena za proizvajalce premazov
Industrijska proizvodnja barv zahteva zelo ponovljive procesne rezultate. Optične lastnosti, reologija, rok uporabnosti in mikrobiološka stabilnost morajo ostati enaki od šarže do šarže in v daljših proizvodnih obdobjih.

Sonikatorji Hielscher zagotavljajo ponovljive ultrazvočne pogoje, ki omogočajo:

• enakomerno dispergiranje pigmentov
• stabilno zmanjševanje velikosti delcev
• dosledno obdelavo mikroorganizmov
• zanesljivo kakovost izdelkov skozi proizvodne cikle

Ta ponovljivost je bistvena za validacijo procesa, zagotavljanje kakovosti in industrijsko uvedbo ultrazvočne tehnologije.

Sonikacija kot strateška tehnologija za sodobne premaze na vodni osnovi

Industrija premazov se usmerja k formulacijam, ki so bolj trajnostne, vsebujejo manj nevarnih dodatkov in imajo zanesljivejše lastnosti. Sonikacija se izjemno dobro ujema s to usmeritvijo, ker hkrati obravnava dva velika proizvodna izziva: potrebo po učinkovitem dispergiranju pigmentov in potrebo po mikrobni stabilnosti.
Z združevanjem teh funkcij v enem procesnem koraku sonikacija proizvajalcem pomaga poenostaviti proizvodnjo, izboljšati kakovost premazov in zmanjšati odvisnost od običajnih sistemov konzerviranja. Zato je ultrazvočna obdelava zelo privlačna za gradbene barve, industrijske premaze, funkcionalne disperzije, črnila in sorodne sisteme na vodni osnovi.
Sonikatorji Hielscher zagotavljajo industrijsko platformo, potrebno za uresničitev te strategije v praksi. Zaradi natančnega krmiljenja, pretočnih celic z možnostjo delovanja pod tlakom, zmožnosti obdelave v pretočnem sistemu, linearnega povečevanja merila, preprostega čiščenja in ponovljivih rezultatov so posebej primerni za proizvodnjo barv in premazov.

Izkoristite prednosti ultrazvočnega dispergiranja in sterilizacije premazov

Sterilizacija brez biocidov in dispergiranje premazov na vodni osnovi s sonikacijo sta zelo obetaven pristop za sodobno proizvodnjo barv. Sonikacija izboljša dispergiranje pigmentov, zmanjša mikrobno obremenitev in podpira večjo stabilnost izdelka v enem integriranem procesu. Ta kombinacija je posebej dragocena v industriji, ki je pod vse večjim pritiskom, da zmanjša uporabo konzervansov, hkrati pa ohrani visoko kakovost izdelkov in učinkovitost procesa.
Za proizvajalce barv in premazov na vodni osnovi sonikatorji Hielscher ponujajo praktično in industrijsko preverjeno rešitev. Zaradi možnosti krmiljenja procesa, vključitve v pretočne sisteme, zasnove pretočnih celic za intenzivnejšo obdelavo, možnosti povečevanja merila, higienske čistljivosti in ponovljivega delovanja so odlična izbira za hkratno dispergiranje in sterilizacijo pigmentov za barve.

Spodnja tabela prikazuje okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in poseben poudarek namenja visokozmogljivim ultrazvočnim napravam, ki jih odlikujeta najsodobnejša tehnologija in prijaznost do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / viri

• 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.