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

Ultrazvočno emulgiranje je zmogljiva tehnologija obdelave za proizvajalce sveč, ki želijo zmanjšati porabo parafina, izboljšati nadzor nad formulacijo in učinkovito povečati obseg proizvodnje. Z dispergiranjem do 10% vode v staljeni parafinski vosek lahko proizvajalci sveč znižajo stroške surovin, pri tem pa ohranijo homogeno voščeno fazo, primerno za industrijsko proizvodnjo sveč. Sonikatorji Hielscher s sondo zagotavljajo visokointenzivno kavitacijo, potrebno za ustvarjanje finih, enakomernih emulzij vode v vosku – od laboratorijskih preizkusov do neprekinjene proizvodnje.

Izboljšajte proizvodnjo parafinskih sveč z ultrazvočnim emulgiranjem

Parafinski vosek ostaja ena najpogosteje uporabljenih surovin pri proizvodnji sveč. Vendar so nihanje cen voska, vse večji pritisk na marže in potreba po proizvodnji z učinkovitejšo rabo virov vzbudili veliko zanimanje za tehnologije, ki zmanjšujejo porabo parafina brez ogrožanja zanesljivosti procesa. Ultrazvočno emulgiranje omogoča vmešavanje vode v staljeni parafinski vosek in s tem ustvarjanje stabilnih emulzij voska.
Z uporabo ultrazvoka visoke moči je mogoče fino dispergirane vodne kapljice vključiti v voščeno fazo in tako ustvariti stabilno emulzijo vode v parafinu. Če se v parafinski vosek emulgira do 10% vode, lahko proizvajalci zmanjšajo količino parafina, potrebno za posamezno svečo, kar neposredno prihrani material. Pri proizvajalcih z velikim obsegom proizvodnje lahko že majhno odstotno zmanjšanje porabe voska pomeni znatne letne prihranke stroškov.

Zakaj je ultrazvočno emulgiranje idealno za parafinski vosek

Voda in parafinski vosek se po naravi ne mešata. Pri običajnih metodah mešanja je pogosto težko fino in enakomerno dispergirati vodo v staljeni vosek, zlasti kadar so potrebni enakomerna velikost kapljic, ponovljivost procesa in industrijska zmogljivost obdelave. Ultrazvočno emulgiranje ta izziv rešuje z akustično kavitacijo.
Med sonikacijo visokointenzivni ultrazvok v tekočem mediju ustvarja mikroskopske kavitacijske mehurčke. Njihov kolaps povzroča lokalizirane močne strižne sile, turbulenco in intenzivno energijo mešanja. Hielscher opisuje ultrazvočne emulgatorje kot naprave, ki z akustično kavitacijo razbijajo tekočine, ki se med seboj ne mešajo, v zelo majhne kapljice in jih enakomerno porazdelijo.
Pri obdelavi voska za sveče to pomeni, da je mogoče vodo v staljenem parafinu dispergirati veliko učinkoviteje kot s številnimi mešalniki rotor–stator ali mešali z nizkim strigom. Nastala emulzija lahko zagotovi:

• Fino porazdelitev vodnih kapljic v staljeni voščeni fazi
• Izboljšano homogenost celotne formulacije sveč
• Zmanjšano porabo parafina z nadomeščanjem dela prostornine voska z vodo
• Bolj ponovljive šarže zaradi možnosti nadzora ultrazvočnih parametrov
• Učinkovito obdelavo v pretočnem sistemu za neprekinjene proizvodne linije za sveče

Prihranek parafina z emulgiranjem do 10% vode

Ekonomski razlog je preprost: parafinski vosek je drag osnovni material, voda pa je poceni in lahko dostopna. Z ultrazvočnim vključevanjem do 10% vode v voščeno matrico lahko proizvajalci sveč zmanjšajo porabo parafina na enoto.
Na primer, pri proizvodnji, ki uporablja 1.000 kg formulacije voska za sveče, lahko nadomestitev 10% parafinske faze z emulgirano vodo zmanjša potrebo po parafinu za do 100 kg, odvisno od zasnove formulacije in specifikacij končnega izdelka. V industrijskem obsegu lahko to pomeni znatne prihranke pri nabavi surovin, skladiščenju in logistiki.
Ključno ni zgolj dodajanje vode, temveč njeno pravilno emulgiranje. Slabo dispergirana voda se lahko izloči, povzroči napake ali ogrozi obdelavo. Ultrazvočno emulgiranje ustvari strukturo finih kapljic, potrebno za stabilno vključitev v staljeno voščeno fazo. Hielscher posebej izpostavlja sonikatorje s sondo v kombinaciji z ultrazvočnimi pretočnimi celicami kot učinkovit pristop k emulgiranju parafinskega voska, ki izboljšuje učinkovitost, enakomernost, možnost povečanja obsega in doslednost kakovosti.

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

Znanstvena študija Jadhav et al. (2015) dokazuje, da je emulgiranje s pomočjo ultrazvoka učinkovit način za proizvodnjo stabilnih nanoemulzij parafinskega voska v vodi, ki premaguje nestabilnost, značilno za običajne metode inverzije emulzije. Pri pripravi emulzije z razmerjem med vodo in parafinom 80:20 so optimizirali ključne procesne spremenljivke – koncentracijo površinsko aktivne snovi, uporabljeno ultrazvočno moč in čas sonikacije. V optimiziranih procesnih pogojih so raziskovalci dosegli kapljice parafinskega voska velikosti približno 160,9 nm z uporabo 10 mg/mL SDS, 40% uporabljene moči, kar ustreza 0,61 W/mL, in 15 minut sonikacije. Raziskava kaže, da akustična kavitacija fizikalno razbije staljeni parafin v kapljice nanometrske velikosti, SDS pa hitro stabilizira novonastalo medfazno površino; 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 pri emulzijah, pripravljenih z metodo točke inverzije emulzije, v 30 minutah pojavili dvig kapljic na površino ali ločevanje faz. Na splošno je napredek v dokazu, da lahko ultrazvočna obdelava proizvede fine, stabilne, nizkoenergijske nanoemulzije parafinskega voska z nadzorovano velikostjo kapljic, visoko fizikalno stabilnostjo in jasnim potencialom za formulacije na osnovi voska, pri katerih je mogoče povečati obseg proizvodnje.
 

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

Sonikatorji Hielscher za emulzije vode v vosku

Hielscher Ultrasonics proizvaja sonikatorje s sondo za laboratorijsko, pilotno in industrijsko obdelavo tekočin. Njegovi ultrazvočni sistemi se uporabljajo za emulgiranje, homogenizacijo, dispergiranje, zmanjševanje velikosti delcev, ekstrakcijo in kemično obdelavo.
Pri proizvodnji sveč je glavna prednost nadzor procesa. Sonikatorji Hielscher operaterjem omogočajo določanje in ponavljanje ključnih parametrov sonikacije, vključno z amplitudo, vnosom energije, temperaturo, tlakom, pretokom in zadrževalnim časom. To je posebej pomembno pri staljenem parafinskem vosku, pri katerem viskoznost in temperatura močno vplivata na kakovost emulgiranja.

Ultrazvočno proizvedena nanoemulzija

Običajne možnosti izvedbe vključujejo:

1. Šaržno sonikacijo za razvoj formulacij, majhne proizvodne serije ali posebne sveče
2. Sonikacijo v pretočnem sistemu s pretočnimi celicami za neprekinjeno obdelavo voska
3. Reaktorje z možnostjo vzpostavitve nadtlaka za večjo intenzivnost kavitacije in nadzorovano obdelavo
4. Sisteme, nameščene na nosilnem ogrodju, za vključitev v obstoječe industrijske linije za sveče

Industrijski nabor izdelkov Hielscher vključuje ultrazvočne procesorje visoke moči, kot je UIP4000hdT, ki zagotavlja do 4 kW ultrazvočne moči za zahtevne naloge industrijske obdelave tekočin, vključno s homogenizacijo, emulgiranjem, dispergiranjem in finim mletjem delcev. Za večje proizvodne zmogljivosti Hielscher ponuja sisteme, kot je UIP16000, industrijski ultrazvočni procesor z močjo 16 kW, zasnovan za obdelavo velikih količin v pretočnem sistemu in vključitev v proizvodna okolja.
Vzporedno povezovanje več sonikatorjev v skupino omogoča redundanco in postopno povečevanje obsega ob rasti povpraševanja in širitvi poslovanja.

Pomen za industrijske proizvajalce sveč

Industrija sveč deluje pod močnim stroškovnim pritiskom, zlasti pri množični proizvodnji čajnih svečk, stebrastih sveč, votivnih sveč, sveč v posodah in okrasnih sveč. Nihanje cen parafinskega voska neposredno vpliva na dobičkonosnost. Ultrazvočno emulgiranje vode v vosku proizvajalcem omogoča praktičen način za zmanjšanje porabe voska, pri tem pa ohranja proizvodni proces, ki ga je mogoče nadzorovati in povečati po obsegu.

Pomen za industrijo je posebej velik tam, kjer proizvajalci potrebujejo:

• Proizvodnjo velikih količin z dosledno kakovostjo voska
• Manjšo porabo parafina na svečo
• Neprekinjeno obdelavo v pretočnem sistemu namesto izključno šaržnega mešanja
• Zanesljiv prenos procesa iz raziskav in razvoja v proizvodnjo
• Natančen nadzor kakovosti emulzije
• Vključitev v obstoječe linije za taljenje, doziranje in vlivanje

Tehnologija je privlačna tudi za proizvajalce, ki razvijajo nove stroškovno optimizirane formulacije sveč. S prilagajanjem vsebnosti vode, sistema emulgatorjev, temperature voska in vnosa ultrazvočne energije lahko proizvajalci formulacijo prilagodijo želeni geometriji sveče, obnašanju pri gorenju, površinski obdelavi in proizvodni metodi.
Kot pri vsaki spremembi formulacije sveč morajo proizvajalci v lastnih proizvodnih pogojih preveriti učinkovitost gorenja, videz, stabilnost, varnost, združljivost z dišavami in obnašanje med skladiščenjem. Vendar ultrazvočno emulgiranje zagotavlja intenzivnost obdelave in ponovljivost, potrebni za tehnično izvedljiv razvoj takšnih formulacij v industrijskem obsegu.

Ultrazvočna obdelava kot konkurenčna prednost pri emulzijah voska

Za proizvajalce sveč je ultrazvočno emulgiranje več kot metoda mešanja. Je tehnologija intenzifikacije procesov, ki lahko zmanjša stroške surovin, izboljša prilagodljivost formulacij in podpira povečevanje obsega proizvodnje.
Sonikatorji Hielscher so zasnovani prav za to vrsto zahtevnih nalog obdelave tekočin. Od laboratorijskih preizkusov s staljenim parafinom do neprekinjenega emulgiranja v pretočnem sistemu v industrijski proizvodnji ultrazvočni sistemi Hielscher zagotavljajo moč, nadzor in možnost povečanja obsega, potrebne za emulzije vode v parafinskem vosku za sveče.
Z vključevanjem do 10% vode v parafinski vosek z uporabo ultrazvočne kavitacije lahko proizvajalci sveč zmanjšajo odvisnost od dragega parafina, pri tem pa ohranijo nadzorovano, homogeno formulacijo voska. Pri industrijski proizvodnji sveč to ustvarja jasno ekonomsko in operativno prednost: nižje stroške materiala, ponovljivo kakovost in neposredno pot od formulacije v laboratorijskem obsegu do proizvodnje v polnem obsegu.

 
Spodnja tabela podaja okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Ultrazvočne emulzije voska: linearno povečevanje obsega od laboratorija do industrijske proizvodnje

Ena glavnih prednosti ultrazvočne tehnologije Hielscher je linearno povečevanje obsega. Proizvajalci sveč lahko začnejo s preizkušanjem izvedljivosti v majhnem obsegu, optimizirajo formulacijo vode v parafinu in nato prenesejo procesne parametre na večje sisteme.
V nasprotju s številnimi običajnimi tehnologijami mešanja, pri katerih lahko povečanje obsega zahteva obsežne spremembe zasnove in prilagoditve z negotovim izidom, ultrazvočno povečevanje obsega temelji na ponovljivih procesnih parametrih. Ko so znani potrebni specifični vnos energije, amplituda, temperatura, tlak in zadrževalni čas (hitrost toka), je mogoče obseg procesa povečati s povečanjem ultrazvočne moči in zmogljivosti obdelave ali z vzporednim delovanjem več ultrazvočnih enot.
Ta pristop je za proizvajalce sveč posebej dragocen, saj zmanjšuje razvojno tveganje. Formulacijo, razvito z laboratorijskim ali namiznim sonikatorjem, je mogoče preveriti na pilotni opremi in nato prenesti v polno industrijsko proizvodnjo. Hielscher navaja, da je namizne homogenizatorje mogoče uporabljati za raziskave uporabe, povečevanje obsega, pilotne študije, optimizacijo procesov in obdelavo manjših šarž, za obdelavo velikih količin v pretočnem sistemu ali šaržno obdelavo pa so na voljo ultrazvočne sonde visoke moči od 4 do 16 kW.
Pri velikih proizvodnih obratih povezovanje več ultrazvočnih procesorjev v skupino omogoča zelo veliko zmogljivost obdelave ob ohranjanju enakih kavitacijskih pogojev v vsakem reaktorju. Ta modularna zasnova podpira zanesljivo širitev zmogljivosti brez zmanjšanja doslednosti izdelkov.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro 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 daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / viri

• 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.