Емулзије воде у парафинском воску: економична производња свећа помоћу ултразвука

Ултразвучна емулзификација је моћна технологија обраде за произвођаче свећа који желе да смање потрошњу парафина, побољшају контролу формулације и ефикасно повећају обим производње. Дисперговањем до 10% воде у растопљени парафински восак, произвођачи свећа могу да смање трошкове сировина уз одржавање хомогене воштане фазе погодне за индустријску производњу свећа. Hielscher соникатори са сондом обезбеђују кавитацију високог интензитета потребну за стварање финих, уједначених емулзија воде у воску – од лабораторијских испитивања до континуиране производње.

Унапредите производњу парафинских свећа ултразвучном емулзификацијом

Парафински восак остаје једна од најчешће коришћених сировина у производњи свећа. Међутим, променљиве цене воска, све већи притисак на марже и потреба за производњом која ефикасније користи ресурсе створили су велико интересовање за технологије које смањују употребу парафина без угрожавања поузданости процеса. Ултразвучна емулзификација омогућава мешање воде са растопљеним парафинским воском, чиме се стварају стабилне емулзије воска.
Применом ултразвука велике снаге, фино дисперговане капљице воде могу се уградити у воштану фазу, чиме се добија стабилна емулзија воде у парафину. Када се до 10% воде емулгује у парафинском воску, произвођачи могу да смање количину парафина потребну по свећи, остварујући непосредну уштеду материјала. За произвођаче са великим обимом производње, чак и мало процентуално смањење потрошње воска може донети знатне годишње уштеде трошкова.

Зашто је ултразвучна емулзификација идеална за парафински восак

Вода и парафински восак се природно не мешају. Конвенционалним методама мешања често је тешко постићи фино и уједначено дисперговање воде у растопљеном воску, нарочито када су потребни уједначена величина капљица, поновљивост процеса и индустријски капацитет обраде. Ултразвучна емулзификација решава овај изазов помоћу акустичне кавитације.
Током соникације, ултразвук високог интензитета ствара микроскопске кавитационе мехуриће у течној средини. Њихов колапс производи локализоване снажне смицајне силе, турбуленцију и велику енергију мешања. Hielscher описује ултразвучне емулгаторе као уређаје који користе акустичну кавитацију да разбију течности које се међусобно не мешају на веома ситне капљице и равномерно их распореде.
За обраду воска за свеће то значи да се вода може дисперговати у растопљеном парафину далеко ефикасније него помоћу многих роторско-статорских мешалица или мешалица са малим смицањем. Добијена емулзија може да обезбеди:

• Расподелу ситних капљица воде унутар растопљене воштане фазе
• Побољшану хомогеност целокупне формулације свеће
• Смањену употребу парафина заменом дела запремине воска водом
• Већу поновљивост шаржи захваљујући параметрима ултразвука који се могу контролисати
• Ефикасну проточну обраду за линије за континуирану производњу свећа

Уштеда парафина емулговањем до 10% воде

Економски разлог је једноставан: парафински восак је скупа основна сировина, док је вода јефтина и лако доступна. Ултразвучним уграђивањем до 10% воде у матрицу воска, произвођачи свећа могу смањити потрошњу парафина по јединици производа.
На пример, у производном сценарију у којем се користи 1.000 kg формулације воска за свеће, замена 10% парафинске фазе емулгованом водом може смањити потребу за парафином за до 100 kg, у зависности од састава формулације и спецификација коначног производа. У индустријским размерама, то може представљати значајне уштеде у набавци, складиштењу и логистици сировина.
Кључ није само у додавању воде, већ у њеном правилном емулговању. Лоше диспергована вода може се издвојити, изазвати недостатке или угрозити прераду. Ултразвучно емулговање ствара структуру финих капљица потребну за стабилно уграђивање у растопљену фазу воска. Hielscher посебно истиче соникаторе са сондом у комбинацији са ултразвучним проточним ћелијама као ефикасан приступ емулговању парафинског воска, којим се побољшавају ефикасност, уједначеност, могућност повећања обима производње и постојаност квалитета.

Ултразвучна обрада смањује капљице парафинског воска на 160nm уз дуготрајну стабилност

Научна студија Jadhav et al. (2015) показује да је емулговање уз помоћ ултразвука ефикасан начин производње стабилних наноемулзија парафинског воска у води, којим се превазилази нестабилност типична за конвенционалне методе инверзије емулзије. Припремајући емулзију са односом воде и парафина од 80:20, оптимизовали су кључне процесне променљиве – концентрацију површински активне материје, примењену ултразвучну снагу и време соникације. При оптимизованим процесним условима, истраживачи су добили капљице парафинског воска величине око 160,9 nm користећи 10 mg/mL SDS, 40% примењене снаге, што одговара вредности од 0,61 W/mL, и 15 минута соникације. Рад показује да акустична кавитација физички разбија растопљени парафин у капљице нанометарских размера, док SDS брзо стабилизује новонасталу међуфазну површину; DSC и FTIR су потврдили да парафински восак није хемијски измењен током соникације. Добијене капљице биле су чврсте, сферичне, негативно наелектрисане услед адсорпције SDS и стабилне дуже од три месеца, док је код емулзија припремљених методом тачке инверзије емулзије долазило до издвајања кремастог слоја или раздвајања фаза у року од 30 минута. У целини, напредак се огледа у доказу да се ултразвучном обрадом могу произвести фине, стабилне, нискоенергетске наноемулзије парафинског воска са контролисаном величином капљица, високом физичком стабилношћу и јасним потенцијалом за формулације на бази воска чији се обим производње може повећавати.
 

SEM снимци ултразвучно припремљене емулзије парафинског воска при (a) 5000 , (b) 20.000
Студија и слика: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscher соникатори за емулзије воде у воску

Hielscher Ultrasonics производи соникаторе са сондом за лабораторијску, пилотску и индустријску обраду течности. Његови ултразвучни системи користе се за примене као што су емулговање, хомогенизација, дисперговање, смањење величине честица, екстракција и хемијска обрада.
У производњи свећа главна предност је контрола процеса. Hielscher соникатори омогућавају оператерима да дефинишу и понове кључне параметре соникације, укључујући амплитуду, унос енергије, температуру, притисак, проток и време задржавања. То је нарочито важно за растопљени парафински восак, код којег вискозност и температура снажно утичу на квалитет емулговања.

Ултразвучно произведена наноемулзија

Типичне могућности примене обухватају:

1. Шаржну соникацију за развој формулација, мале производне серије или свеће посебне намене
2. Соникацију у производној линији помоћу проточних ћелија за континуирану обраду воска
3. Реакторе који се могу ставити под притисак ради повећања интензитета кавитације и контролисане обраде
4. Системи монтирани на носећим рамовима за интеграцију у постојеће индустријске линије за производњу свећа

Индустријски портфолио компаније Hielscher обухвата ултразвучне процесоре велике снаге као што је UIP4000hdT, који испоручује до 4 kW ултразвучне снаге за захтевне задатке индустријске обраде течности, укључујући хомогенизацију, емулговање, дисперговање и фино уситњавање честица. За веће производне капацитете, Hielscher нуди системе као што је UIP16000, индустријски ултразвучни процесор снаге 16 kW пројектован за проточну обраду великих количина и интеграцију у производна окружења.
Повезивање више соникатора у групу за паралелни рад омогућава редундантност и постепено повећање производног капацитета са растом потражње и ширењем пословања.

Индустријски значај за произвођаче свећа

Индустрија свећа послује под снажним притиском трошкова, посебно у производњи чајних свећица, стубних свећа, заветних свећа, свећа у посудама и украсних свећа за масовно тржиште. Променљивост цена парафинског воска директно утиче на профитабилност. Ултразвучно емулговање воде у воску пружа произвођачима практичан начин да смање потрошњу воска уз задржавање производног процеса чији се обим може повећавати и који се може контролисати.

Индустријски значај је посебно велики тамо где су произвођачима потребни:

• Производња великог обима уз уједначен квалитет воска
• Мања потрошња парафина по свећи
• Континуална проточна обрада уместо искључиво шаржног мешања
• Поуздан пренос процеса из истраживања и развоја у производњу
• Прецизна контрола квалитета емулзије
• Интеграција у постојеће линије за топљење, дозирање и ливење

Ова технологија је привлачна и произвођачима који развијају нове формулације свећа са оптимизованим трошковима. Подешавањем садржаја воде, система емулгатора, температуре воска и уноса ултразвучне енергије, произвођачи могу да прилагоде формулацију жељеној геометрији свеће, понашању при сагоревању, завршној обради површине и начину производње.
Као и код сваке промене формулације свеће, произвођачи треба да провере својства сагоревања, изглед, стабилност, безбедност, компатибилност са мирисима и понашање током складиштења у сопственим производним условима. Међутим, ултразвучно емулговање обезбеђује интензитет обраде и репродуктивност потребне да такав развој формулације буде технички изводљив у индустријским размерама.

Ултразвучна обрада као конкурентска предност код емулзија воска

За произвођаче свећа, ултразвучно емулговање представља више од методе мешања. То је технологија интензификације процеса која може да смањи трошкове сировина, повећа флексибилност формулације и подржи повећање обима производње.
Соникатори компаније Hielscher пројектовани су управо за ову врсту захтевне обраде течности. Од лабораторијских испитивања са растопљеним парафином до континуалног проточног емулговања у индустријској производњи, ултразвучни системи компаније Hielscher обезбеђују снагу, контролу и могућност повећања обима потребне за емулзије воде у парафинском воску за свеће.
Уношењем до 10% воде у парафински восак помоћу ултразвучне кавитације, произвођачи свећа могу да смање зависност од скупог парафина уз задржавање контролисане, хомогене формулације воска. За индустријску производњу свећа, то ствара јасну економску и оперативну предност: ниже трошкове материјала, репродуктиван квалитет и директан пут од формулације у лабораторијским размерама до производње у пуном обиму.

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

Ултразвучне емулзије воска: линеарно повећање обима од лабораторије до индустријске производње

Једна од главних предности ултразвучне технологије Hielscher јесте линеарно повећање размере процеса. Произвођачи свећа могу почети испитивањем изводљивости у малој размери, оптимизовати формулацију воде у парафину, а затим пренети параметре процеса на веће системе.
За разлику од многих конвенционалних технологија мешања, код којих повећање размере може захтевати знатне измене конструкције и прилагођавања са неизвесним исходом, повећање размере ултразвучног процеса заснива се на поновљивим параметрима процеса. Када су познати потребни специфични унос енергије, амплитуда, температура, притисак и време задржавања (брзина струјања), размера процеса може се повећати повећањем ултразвучне снаге и капацитета обраде или паралелним радом више ултразвучних јединица.
Овај приступ је нарочито вредан за произвођаче свећа јер смањује ризик при развоју. Формулација развијена на лабораторијском или стоном соникатору може се валидирати на пилотској опреми, а затим пренети у пуну индустријску производњу. Hielscher наводи да се стони хомогенизатори могу користити за истраживање примене, рад на повећању размере процеса, пилотске студије, оптимизацију процеса и обраду мањих шаржи, док су ултразвучне сонде велике снаге од 4 до 16 kW доступне за обраду великих количина у проточном или шаржном режиму.
За велике производне погоне, повезивање више ултразвучних процесора у групу омогућава веома висок капацитет обраде уз одржавање истих услова кавитације у сваком реактору. Овај модуларни концепт омогућава поуздано проширење капацитета уз очување уједначености производа.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

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

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

Литература / Референце

• 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.