Стерилизација и дисперговање премаза на бази воде без биоцида

Премази на бази воде широко се користе јер омогућавају формулације са ниским садржајем испарљивих органских једињења (VOC), безбедније руковање и одрживију производњу. Истовремено, садржај воде чини их веома подложним микробној контаминацији. Бактерије, квасци и плесни могу доспети у производ преко сировина, резервоара, цевовода, система за пуњење или излагањем околини током производње и складиштења. Када дође до контаминације, микроорганизми се могу брзо размножавати и угрозити и квалитет производа и рок трајања.
Зато је микробиолошка стабилност кључни фактор квалитета боја, премаза, мастила и пигментних дисперзија на бази воде.

Соникација обједињује дисперговање пигмената и контролу микроорганизама у једном индустријском процесу

Произвођачи се традиционално ослањају на конзервансе и биоциде за заштиту производа у амбалажи како би спречили кварење. Међутим, све већи регулаторни притисак и растућа потражња за чистијим формулацијама подстичу потрагу за алтернативама. Соникација високог интензитета нуди веома ефикасно решење јер омогућава истовремено дисперговање и стерилизацију у једном процесном кораку.
За произвођаче премаза то значи да ултразвучна обрада није само технологија дисперговања. Она је и моћан процесни алат за побољшање микробиолошке стабилности, уз подршку стратегијама формулисања са ниским садржајем биоцида или без биоцида.

Зашто је микробиолошка стабилност боја на бази воде кључна у индустрији

Микробна контаминација директно утиче на квалитет производа и поузданост процеса: микробиолошка стабилност боја има велики индустријски значај јер раст микроорганизама може изазвати низ недостатака производа и проблема у производњи. Формулације на бази воде често садрже органске састојке као што су везива, дисперзанти, средства за квашење, згушњивачи и средства против пенушања. Ове компоненте могу створити повољно окружење за раст микроорганизама ако током обраде или складиштења дође до контаминације.

У индустријској пракси, недовољна контрола микроорганизама може довести до:

• одступања вискозности и промена pH
• стварања гаса и надимања амбалаже
• непријатног мириса и промене боје
• смањене стабилности при складиштењу
• недостатака филма премаза и неуједначеног понашања при наношењу
• код купки за потапање – повећане учесталости чишћења и застоја услед контаминације

Микробно кварење не оштећује само производ. Оно може изазвати и понављајуће хигијенске проблеме у резервоарима, цевима и рециркулационим круговима, што доводи до губитака у производњи, поновне обраде, рекламација купаца и трошкова одлагања. Зато микробиолошка стабилност није споредно својство. Она је основни услов за комерцијално успешне премазе на бази воде.

Како соникација делује у премазима на бази воде

Акустична кавитација ствара интензивно смицање и тиме разара микроорганизме: ултразвук велике снаге делује путем акустичне кавитације. Када ултразвучни таласи пролазе кроз течност, настају микроскопски мехурићи који расту и имплодирају. Ови кавитациони догађаји стварају изразито локализоване силе смицања, турбуленцију, промене притиска и микромлазеве.
У премазима на бази воде ови кавитациони ефекти су драгоцени јер истовремено делују и на честице и на микроорганизме. Агломерати пигмената ефикасно се разбијају на ситније честице, док се микробне ћелије механички оштећују и инактивирају. Због тога је соникација посебно привлачна за формулације код којих су и квалитет дисперзије и микробиолошка стабилност од суштинског значаја.

Један процесни корак остварује две кључне функције

Уместо да се дисперговање пигмената и контрола микроорганизама спроводе као засебни задаци, соникација их обједињује у једној операцији. Ово двоструко дејство пружа јасну индустријску предност.

Иста ултразвучна енергија која разбија агломерате пигмената и равномерно диспергује честице може такође смањити број вијабилних микроорганизама у премазу. Као резултат тога, соникација доприноси:

• финија и уједначенија дисперзија пигмената
• побољшана јачина боје и уједначеност оптичких својстава
• смањена микробна контаминација током обраде
• побољшана стабилност производа на бази воде током складиштења
• мања зависност од конзерванаса и биоцида за заштиту производа у амбалажи

Због тога је соникација веома значајна за развој одрживијих система премаза са чистијим саставом.
 

Ултразвучно диспергован силицијум-диоксид: црвена крива – нетретиран; зелена крива: након ултразвучног дисперговања

Предности истовременог дисперговања и стерилизације пигмената за боје

1. Бољи квалитет дисперзије побољшава својства премаза
   Пигменти и пунила често формирају агломерате које је тешко разбити ако механичка енергија није довољна. Соникација обезбеђује интензивно и усмерено смицање, што је чини веома ефикасном за деагломерацију и смањење величине честица. Финија дисперзија може побољшати неколико својстава финалног премаза, укључујући развој боје, покривност, сјај и дугорочну стабилност.
2. Истовремена стерилизација омогућава смањење употребе биоцида
   Истовремено, ултразвучна кавитација може оштетити микробне ћелије присутне у течној фази. Тиме се смањује контаминација у току производа и доприноси побољшању микробне стабилности без искључивог ослањања на хемијско конзервисање. За произвођаче који теже системима са малим садржајем биоцида или без биоцида, то представља значајну процесну предност.
3. Интензификација процеса смањује сложеност
   Обједињавање два кључна процесна циља у једном кораку у протоку поједностављује производњу. Уместо додавања засебних фаза третмана за дисперговање и контролу микроорганизама, произвођачи премаза могу објединити обе функције у једном контролисаном процесу соникације. Тиме се смањује руковање, подржава чистија производња и побољшава репродуктивност.

Зашто обрада без биоцида добија на значају

Регулаторни, еколошки и тржишни захтеви преобликују стратегије формулисања
Прелазак на премазе са малим садржајем биоцида и без биоцида подстакнут је низом индустријских фактора. Регулаторни оквири постају строжи, еколошка очекивања расту, а купци траже безбедније, одрживије производе са мање супстанци које изазивају забринутост.
У том контексту, технологије физичке обраде добијају стратешки значај. Соникација је посебно привлачна јер не представља само замену једног адитива другим. Она уводи нехемијски принцип третмана који механичком енергијом побољшава и дисперзију и микробну стабилност.

За стручњаке за формулације и руководиоце производње, то пружа неколико предности:

• подршка одрживијим концептима производа
• смањена зависност од конвенционалних конзерванаса
• побољшана хигијена процеса
• снажније позиционирање премаза на бази воде нове генерације

Зашто су Hielscher соникатори најбоље решење за индустријску производњу премаза

Прецизна контрола за репродуктивне услове обраде

Hielscher соникатори су пројектовани за контролу индустријских процеса. У производњи премаза, прецизна контрола параметара соникације је неопходна јер понашање формулације зависи од врсте пигмента, садржаја чврсте материје, вискозности, температуре, протока и интензитета третмана.

Hielscher системи омогућавају прецизно подешавање важних процесних параметара као што су:

• амплитуда
• притисак
• проток / време задржавања
• температура
• унос енергије

Ова прецизност омогућава произвођачима да оптимизују дисперзију пигмената, побољшавајући квалитет формулације и постижући репродуктивно смањење броја микроорганизама.

SEM снимци вегетативних ћелија B. subtilis пре (a) и после излагања ултразвуку током 30 min (b), (c).
Студија и снимак: © Hashimoto et al., 2020

Проточне ћелије које могу да раде под притиском за интензивнију соникацију

Повишен притисак повећава интензитет кавитације
Кључна предност технологије Hielscher јесте употреба реактора са проточним ћелијама које се могу ставити под притисак. Притисак снажно утиче на понашање кавитације. При повишеном притиску кавитација постаје интензивнија и ефикаснија, што је посебно драгоцено за захтевне поступке дисперговања и континуалну инактивацију микроорганизама.

Проточне ћелије које се могу ставити под притисак омогућавају:

• интензивнији ултразвучни третман
• ефикаснију деагломерацију
• побољшану ефикасност процеса

За индустријска постројења за производњу премаза то значи да се ултразвучни третман може прилагодити не само изводљивости у лабораторијским размерама већ и стварном производном капацитету и захтевима производа.

Обрада у производној линији за континуалну производњу

Соникација се може интегрисати директно у производну линију
Соникатори Hielscher су изузетно погодни за обраду у производној линији. То омогућава континуални третман премаза на бази воде док пролазе кроз производни систем. Соникација у производној линији добро се уклапа у индустријску производњу јер избегава непотребно руковање шаржама и може се интегрисати у петље за транспорт материјала, рециркулационе системе или наменске процесне линије.

Обрада у производној линији пружа јасне оперативне предности:

• континуални третман у дефинисаним условима
• једноставну интеграцију у постојећа постројења
• смањено ручно руковање
• побољшану ефикасност и уједначеност процеса

За произвођаче премаза то чини соникацију практичном производном технологијом.

TiO2 осушен распршивањем пре и после ултразвучног млевења

Линеарно повећање размера од лабораторије до индустријске производње

Параметри процеса могу се поуздано преносити између различитих размера
Повећање размера је кључно питање у развоју процеса. Ултразвучни системи Hielscher пројектовани су за линеарно повећање размера, што значи да се услови процеса утврђени у лабораторијским или пилот-размерама могу систематски пренети у индустријску производњу.
То је посебно важно за компаније које развијају иновативне премазе са ниским садржајем биоцида, јер смањује ризик током увођења у примену и помаже да се убрза комерцијализација.

Предности линеарног повећања размера обухватају:

• лакши развој процеса
• поуздан пренос из истраживања и развоја у производњу
• предвидиве перформансе при већем производном капацитету
• мању неизвесност при повећању размера

Једноставно чишћење и хигијенско пројектовање процеса

Могућност чишћења је важна када је циљ микробиолошка стабилност
Ако је контрола микроорганизама кључни циљ процеса, хигијена опреме постаје још важнија. Соникатори Hielscher пројектовани су за практично индустријско чишћење и једноставну интеграцију у хигијенска процесна окружења.

Једноставно чишћење помаже произвођачима да:

• смање ризике од контаминације у опреми
• зауставе раст микроорганизама
• скрате поступке чишћења и одржавања
• побољшају поузданост процеса током поновљених производних циклуса

Код премаза на бази воде, где контаминација може опстати у резервоарима, мртвим зонама и транспортним системима, ултразвучна опрема која се лако чисти директно доприноси стабилности производа и оперативној робусности.

Боја на бази креде третирана соникацијом на гриндометру показује савршено равномерну деагломерацију и расподелу величине честица пигмената

Поновљиви резултати за индустријско обезбеђење квалитета

Уједначеност је од суштинског значаја за произвођаче премаза
Индустријска производња боја захтева висок степен поновљивости резултата процеса. Оптичка својства, реологија, рок трајања и микробиолошка стабилност морају остати уједначени од шарже до шарже и током дугих производних периода.

Соникатори Hielscher обезбеђују поновљиве услове ултразвучне обраде који омогућавају:

• равномерно дисперговање пигмената
• стабилно смањење величине честица
• уједначен третман микроорганизама
• поуздан квалитет производа током различитих производних циклуса

Ова поновљивост је од суштинског значаја за валидацију процеса, обезбеђење квалитета и индустријско усвајање ултразвучне технологије.

Соникација као стратешка технологија за савремене премазе на бази воде

Индустрија премаза се усмерава ка формулацијама које су одрживије, садрже мање опасних адитива и имају поузданија својства у примени. Соникација се изузетно добро уклапа у овај правац јер истовремено решава два велика производна изазова: потребу за ефикасним дисперговањем пигмената и потребу за микробиолошком стабилношћу.
Обједињавањем ових функција у једном процесном кораку, соникација помаже произвођачима да поједноставе производњу, побољшају квалитет премаза и смање зависност од конвенционалних система конзервисања. Због тога је ултразвучна обрада веома привлачна за архитектонске боје, индустријске премазе, функционалне дисперзије, мастила и сродне системе на бази воде.
Hielscher соникатори обезбеђују индустријску платформу потребну за спровођење ове стратегије у пракси. Њихова прецизна контрола, проточне ћелије које могу да раде под притиском, могућност обраде у производној линији, линеарно повећање размера процеса, лако чишћење и поновљиви резултати чине их нарочито погодним за производњу боја и премаза.

Искористите предности ултразвучног дисперговања и стерилизације премаза

Стерилизација без биоцида и дисперговање премаза на бази воде помоћу соникације представљају веома перспективан приступ савременој производњи боја. Соникација побољшава дисперговање пигмената, смањује микробно оптерећење и доприноси већој стабилности производа у једном интегрисаном процесу. Ова комбинација је нарочито вредна у индустрији која је под све већим притиском да смањи употребу конзерванаса уз очување високог квалитета производа и ефикасности процеса.
За произвођаче боја и премаза на бази воде, Hielscher соникатори нуде практично и индустријски доказано решење. Могућност контроле процеса, интеграција у производну линију, конструкција проточних ћелија која омогућава интензивирану обраду, могућност повећања размера процеса, могућност хигијенског чишћења и поновљиве перформансе чине их одличним избором за истовремено дисперговање и стерилизацију пигмената за боје.

Табела у наставку даје оријентациони преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји су познати по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако савладавају тешке услове рада и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставном употребом. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји су усаглашени са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.