Emulzije vode v parafinskem vosku: stroškovno učinkovita proizvodnja sveč z ultrazvokom

Ultrazvočna emulzifikacija je zmogljiva tehnologija obdelave za proizvajalce sveč, ki želijo zmanjšati porabo parafina, izboljšati nadzor nad sestavo in učinkovito povečati obseg proizvodnje. Z dispergiranjem do 10 % vode v staljeni parafinski vosek lahko proizvajalci sveč znižajo stroške surovin, hkrati pa ohranijo homogeno voskovo fazo, primerno za industrijsko proizvodnjo sveč. Ultrazvočni aparati tipa sonda podjetja Hielscher zagotavljajo visoko intenzivno kavitacijo, potrebno za ustvarjanje finih, enakomernih emulzij vode v vosku. – od laboratorijskih poskusov do obsega neprekinjene proizvodnje.

Izboljšanje proizvodnje parafinskih sveč z ultrazvočno emulzifikacijo

Parafinski vosek ostaja ena izmed najpogosteje uporabljanih surovin v proizvodnji sveč. Vendar pa so nihanje cen voska, vse večji pritisk na marže in potreba po proizvodnji, ki bolj učinkovito izkorišča vire, vzbudili veliko zanimanje za tehnologije, ki zmanjšujejo porabo parafina, ne da bi pri tem ogrožale zanesljivost procesa. Ultrazvočna emulzifikacija omogoča vmešavanje vode v staljeni parafinski vosek, s čimer nastanejo stabilne voskovne emulzije.
Z uporabo visokozmogljivega ultrazvoka je mogoče drobno razpršene kapljice vode vključiti v voskovo fazo, s čimer nastane stabilna emulzija »voda v parafini«. Ko se v parafinski vosek emulgira do 10 % vode, lahko proizvajalci zmanjšajo količino parafina, potrebnega za eno svečo, kar neposredno pripomore k varčevanju z materialom. Za proizvajalce z velikimi proizvodnimi količinami lahko že majhno odstotno zmanjšanje porabe voska pomeni znatne letne prihranke pri stroških.

Zakaj je ultrazvočna emulzifikacija idealna za parafinski vosek

Voda in parafinski vosek se naravno ne mešata. Pri običajnih metodah mešanja je pogosto težko vstopiti vodo drobno in enakomerno v staljeni vosek, še posebej kadar so potrebne enotna velikost kapljic, ponovljivost postopka in industrijska zmogljivost. Ultrazvočna emulzifikacija ta izziv rešuje z akustično kavitacijo.
Med ultrazvočno obdelavo visokointenzivni ultrazvok v tekočem mediju ustvarja mikroskopske kavitacijske mehurčke. Njihov kolaps povzroča lokalizirane sile visokega strižnega napetja, turbulenco in intenzivno mešalno energijo. Hielscher opisuje ultrazvočne emulgatorje kot naprave, ki z akustično kavitacijo razbijajo nezdružljive tekočine na zelo majhne kapljice in jih enakomerno porazdelijo.
Pri predelavi svečnega voska to pomeni, da se voda lahko vtalja v staljeni parafini veliko učinkoviteje kot pri mnogih mešalnikih z rotorjem in statorjem ali mešalnikih z nizkim strižnim naporom. Tako nastala emulzija ponuja:

• Enakomerna porazdelitev drobnih kapljic vode v fazi staljenega voska
• Izboljšana homogenost v sestavi sveče
• Zmanjšanje porabe parafina z nadomestitvijo dela količine voska z vodo
• Več serij z bolj predvidljivimi rezultati zaradi nastavljivih parametrov ultrazvoka
• Učinkovita vgrajena obdelava za proizvodne linije za neprekinjeno proizvodnjo sveč

Varčevanje s parafinom z emulgiranjem do 10 % vode

Gospodarski razlog je jasen: parafinski vosek je draga osnovna surovina, medtem ko je voda poceni in zlahka dostopna. Z ultrazvočnim vmešavanjem do 10 % vode v voskovo matriko lahko proizvajalci sveč zmanjšajo porabo parafina na enoto.
Na primer, v proizvodnem scenariju, v katerem se uporabi 1.000 kg formulacije svečnega voska, lahko zamenjava 10 % parafinske faze z emulgirano vodo zmanjša porabo parafina za do 100 kg, odvisno od zasnove formulacije in specifikacij končnega izdelka. Na industrijski ravni lahko to pomeni znatne prihranke pri nakupu surovin, skladiščenju in logistiki.
Ključ ni zgolj v dodajanju vode, temveč v njenem pravilnem emulgiranju. Slabo dispergirana voda se lahko loči, povzroči napake ali ovira predelavo. Ultrazvočna emulgacija ustvari strukturo drobnih kapljic, potrebno za stabilno vključitev v fazo staljenega voska. Hielscher posebej izpostavlja sondne ultrazvočne naprave v kombinaciji z ultrazvočnimi pretočnimi celicami kot učinkovit pristop za emulgacijo parafinskega voska, ki izboljša učinkovitost, enakomernost, prilagodljivost in dosledno kakovost.

Ultrazvočna obdelava zmanjša kapljice parafinskega voska na 160 nm in zagotavlja dolgotrajno stabilnost

Znanstvena študija avtorjev Jadhav in sod. (2015) kaže, da je emulzifikacija z ultrazvokom učinkovit način za proizvodnjo stabilnih nanoemulzij tipa »parafinski vosek v vodi«, ki odpravlja nestabilnost, značilno za konvencionalne metode inverzije emulzij. Pri pripravi emulzije z razmerjem voda-parafin 80:20 so optimizirali ključne spremenljivke procesa – koncentracija površinsko aktivne snovi, uporabljena ultrazvočna moč in čas sonikacije. V optimalnih procesnih pogojih so raziskovalci dosegli kapljice parafinskega voska velikosti približno 160,9 nm z uporabo 10 mg/mL SDS, 40-odstotne uporabljene moči, kar ustreza 0,61 W/mL, in 15-minutne sonikacije. Raziskava kaže, da akustična kavitacija fizično razbije staljeni parafinski vosek na kapljice v nanometrskem obsegu, medtem ko SDS hitro stabilizira novo nastalo mejno ploskev; DSC in FTIR sta potrdila, da se parafinski vosek med sonikacijo ni kemično spremenil. Nastale kapljice so bile trdne, sferične, negativno nabite zaradi adsorpcije SDS in stabilne več kot tri mesece, medtem ko so se emulzije, pripravljene z metodo točke inverzije emulzije, v 30 minutah sesirile ali ločile. Na splošno je napredek v dokazovanju, da lahko ultrazvočna obdelava proizvede fine, stabilne, nizkoenergetske nanoemulzije parafinskega voska z nadzorovano velikostjo kapljic, močno fizikalno stabilnostjo in jasnim potencialom za skalabilne formulacije na osnovi voska.
 

SEM-slike emulzije parafinskega voska, pripravljene z ultrazvokom, pri (a) 5000, (b) 20.000
Študija in slika: ©Jadhav et al. (2015)

Ultrazvočni aparati Hielscher za emulzije tipa »voda v vosku«

Podjetje Hielscher Ultrasonics proizvaja ultrazvočne naprave s sondo za laboratorijsko, pilotno in industrijsko obdelavo tekočin. Njihovi ultrazvočni sistemi se uporabljajo za postopke, kot so emulgiranje, homogenizacija, dispergiranje, zmanjševanje velikosti delcev, ekstrakcija in kemična obdelava.
Pri proizvodnji sveč je glavna prednost nadzor nad procesom. Ultrazvočni aparati podjetja Hielscher operaterjem omogočajo, da določijo in ponovijo ključne parametre ultrazvočne obdelave, vključno z amplitudo, vnosom energije, temperaturo, tlakom, pretokom in časom zadrževanja. To je še posebej pomembno pri staljenem parafinskem vosku, kjer viskoznost in temperatura močno vplivata na kakovost emulgacije.

Z ultrazvokom proizvedena nanoemulzija

Med tipične možnosti izvedbe spadajo:

1. Serijska ultrazvočna obdelava za razvoj formulacij, majhne proizvodne serije ali posebne sveče
2. Vgrajena ultrazvočna obdelava s pretočnimi celicami za neprekinjeno predelavo voska
3. Reaktorji, v katerih je mogoče vzpostaviti tlak, za večjo intenzivnost kavitacije in nadzorovano predelavo
4. Sistemi, nameščeni na podstavkih, za vgradnjo v obstoječe industrijske proizvodne linije za sveče

Hielscherjev industrijski portfelj vključuje visokozmogljive ultrazvočne procesorje, kot je model UIP4000hdT, ki zagotavlja do 4 kW ultrazvočne moči za zahtevne industrijske naloge obdelave tekočin, vključno s homogenizacijo, emulgacijo, dispergiranjem in drobnim mletjem delcev. Za večje proizvodne zmogljivosti podjetje Hielscher ponuja sisteme, kot je UIP16000, 16-kW industrijski ultrazvočni procesor, zasnovan za obdelavo velikih količin v proizvodni liniji in integracijo v proizvodna okolja.
Vzporedna povezava več ultrazvočnih naprav omogoča redundanto delovanje ter postopno povečevanje zmogljivosti v skladu z naraščajočim povpraševanjem in širitvijo poslovanja.

Pomen za industrijo za proizvajalce sveč

Industrija sveč deluje pod močnim stroškovnim pritiskom, zlasti pri masovni proizvodnji čajnih svečk, stebrastih sveč, votivnih sveč, sveč v posodah in okrasnih sveč. Nihanje cen parafinskega voska neposredno vpliva na dobičkonosnost. Ultrazvočna emulzifikacija vode v vosku proizvajalcem ponuja praktično rešitev za zmanjšanje porabe voska ob ohranjanju prilagodljivega in nadzorovanega proizvodnega procesa.

Industrijski pomen je še posebej velik tam, kjer proizvajalci potrebujejo:

• Serijska proizvodnja v velikih količinah z dosledno kakovostjo voska
• Manjša poraba parafina na svečo
• Neprekinjena obdelava v proizvodni liniji namesto mešanja izključno v serijah
• Zanesljiv prenos procesa iz R&D v proizvodnjo
• Natančen nadzor nad kakovostjo emulzije
• Vključitev v obstoječe linije za taljenje, doziranje in litje

Ta tehnologija je privlačna tudi za proizvajalce, ki razvijajo nove, stroškovno optimizirane sestave sveč. S prilagajanjem vsebnosti vode, sistema emulgatorjev, temperature voska in vnosa ultrazvočne energije lahko proizvajalci sestavo prilagodijo želeni geometriji sveče, načinu gorenja, površinski obdelavi in proizvodni metodi.
Kot pri vsaki spremembi sestave sveče morajo proizvajalci v svojih proizvodnih pogojih preveriti lastnosti gorenja, videz, stabilnost, varnost, združljivost vonjav in obnašanje med skladiščenjem. Ultrazvočna emulzifikacija pa zagotavlja potrebno intenzivnost obdelave in ponovljivost, da je takšen razvoj sestave tehnično izvedljiv v industrijskem obsegu.

Ultrazvočna obdelava kot konkurenčna prednost pri voskovnih emulzijah

Za proizvajalce sveč je ultrazvočna emulzifikacija več kot le metoda mešanja. Gre za tehnologijo za intenziviranje proizvodnega procesa, ki lahko zmanjša stroške surovin, izboljša prilagodljivost receptur in omogoča proizvodnjo v različnih obsegih.
Ultrazvočni aparati Hielscher so zasnovani prav za tovrstne zahtevne naloge pri obdelavi tekočin. Od laboratorijskih poskusov s staljenim parafinom do neprekinjene emulzifikacije v industrijski proizvodnji – ultrazvočni sistemi Hielscher zagotavljajo moč, nadzor in prilagodljivost, potrebne za pripravo emulzij svečnega voska tipa »voda v parafinu«.
Z vmešavanjem do 10 % vode v parafinski vosek s pomočjo ultrazvočne kavitacije lahko proizvajalci sveč zmanjšajo odvisnost od dragega parafina, hkrati pa ohranijo nadzorovano in homogeno sestavo voska. Za industrijsko proizvodnjo sveč to pomeni jasno gospodarsko in operativno prednost: nižji stroški materiala, ponovljiva kakovost ter neposredna pot od formulacije v laboratorijskem obsegu do proizvodnje v polnem obsegu.

 
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Ultrazvočne voskovne emulzije: linearno povečanje obsega proizvodnje od laboratorijske do industrijske ravni

Ena od glavnih prednosti ultrazvočne tehnologije podjetja Hielscher je linearno povečanje obsega proizvodnje. Proizvajalci sveč lahko začnejo z manjšimi preskusi izvedljivosti, optimizirajo sestavo »voda v parafini« in nato parametre postopka prenesejo na večje sisteme.
Za razliko od mnogih konvencionalnih tehnologij mešanja, pri katerih povečanje obsega lahko zahteva obsežne spremembe zasnove in negotove prilagoditve, povečanje obsega z ultrazvokom temelji na ponovljivih parametrih procesa. Ko so znani potrebni specifični vnos energije, amplituda, temperatura, tlak in čas zadrževanja (hitrost pretoka), je mogoče proces povečati s povečanjem ultrazvočne moči in zmogljivosti ali z vzporednim delovanjem več ultrazvočnih enot.
Ta pristop je še posebej koristen za proizvajalce sveč, saj zmanjšuje tveganje pri razvoju. Formulacija, razvita na laboratorijskem ali namiznem ultrazvočnem homogenizatorju, se lahko validira na pilotni opremi in nato prenese v polno industrijsko proizvodnjo. Hielscher opozarja, da se namizni homogenizatorji lahko uporabljajo za raziskave uporabe, povečanje obsega proizvodnje, pilotne študije, optimizacijo procesov in obdelavo manjših serij, medtem ko so za obdelavo velikih količin v seriji ali v serijah na voljo visokozmogljive ultrazvočne sonde z močjo od 4 do 16 kW.
V velikih proizvodnih obratih združevanje več ultrazvočnih procesorjev omogoča zelo visoko zmogljivost ob ohranjanju enakih kavitacijskih pogojev v vsakem reaktorju. Ta modularni koncept omogoča zanesljivo povečanje zmogljivosti brez poseganja v doslednost izdelka.

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference