Biocidfri sterilisering och dispergering av vattenbaserade beläggningar

Vattenbaserade beläggningar används i stor utsträckning eftersom de möjliggör formuleringar med låg VOC-halt, säkrare hantering och mer hållbar produktion. Samtidigt gör vatteninnehållet dem mycket känsliga för mikrobiell kontaminering. Bakterier, jästsvampar och mögelsvampar kan komma in i produkten via råvaror, tankar, rörledningar, fyllningssystem eller exponering för omgivningen under tillverkning och lagring. När kontaminering väl har uppstått kan mikroorganismer snabbt föröka sig och försämra både produktkvaliteten och hållbarheten.
Därför är mikrobiell stabilitet en avgörande kvalitetsfaktor i vattenbaserade färger, beläggningar, tryckfärger och pigmentdispersioner.

Ultraljudsbehandling kombinerar pigmentdispergering och mikrobiell kontroll i en enda industriell process

Traditionellt förlitar sig tillverkare på konserveringsmedel och biocider för konservering i förpackningen för att motverka mikrobiell förskämning. Ökande regulatoriska krav och växande efterfrågan på renare formuleringar driver dock sökandet efter alternativ. Högintensiv ultraljudsbehandling erbjuder en mycket effektiv lösning genom att möjliggöra samtidig dispergering och sterilisering i ett enda processteg.
För beläggningstillverkare innebär detta att ultraljudsbehandling inte bara är en dispergeringsteknik. Den är också ett kraftfullt processverktyg för att förbättra den mikrobiologiska stabiliteten och samtidigt stödja formuleringsstrategier med låg biocidhalt eller helt utan biocider.

Varför mikrobiell stabilitet är avgörande industriellt för vattenbaserade färger

Mikrobiell kontaminering påverkar produktkvaliteten och processens tillförlitlighet direkt: Färgers mikrobiella stabilitet är av stor industriell betydelse eftersom mikrobiell tillväxt kan utlösa en rad produktfel och produktionsproblem. Vattenbaserade formuleringar innehåller ofta organiska ingredienser som bindemedel, dispergeringsmedel, vätmedel, förtjockningsmedel och skumdämpare. Dessa komponenter kan skapa en gynnsam miljö för mikrobiell tillväxt om kontaminering tillförs under bearbetning eller lagring.

I industriell praxis kan otillräcklig mikrobiell kontroll leda till:

• viskositetsdrift och pH-förändringar
• gasbildning och svällande behållare
• dålig lukt och missfärgning
• försämrad lagringsstabilitet
• filmdefekter och ojämna appliceringsegenskaper
• för doppbad – ökad rengöringsfrekvens och kontamineringsrelaterade driftstopp

Mikrobiell förskämning skadar inte bara produkten. Den kan också skapa återkommande hygienproblem i tankar, rör och recirkulationsslingor, vilket leder till produktionsförluster, ombearbetning, kundreklamationer och kostnader för avfallshantering. Därför är mikrobiell stabilitet ingen sekundär egenskap. Den är ett grundläggande krav för kommersiellt framgångsrika vattenbaserade beläggningar.

Så fungerar ultraljudsbehandling i vattenbaserade beläggningar

Akustisk kavitation skapar intensiv skjuvning och därigenom sönderdelning av mikroorganismer: Högeffektultraljud verkar genom akustisk kavitation. När ultraljudsvågor passerar genom en vätska bildas mikroskopiska bubblor som växer och imploderar. Dessa kavitationshändelser genererar starkt lokaliserade skjuvkrafter, turbulens, tryckförändringar och mikrostrålar.
I vattenbaserade beläggningar är dessa kavitationseffekter värdefulla eftersom de verkar på både partiklar och mikroorganismer samtidigt. Pigmentagglomerat bryts effektivt ned till finare partiklar, samtidigt som mikrobiella celler skadas mekaniskt och inaktiveras. Detta gör ultraljudsbehandling särskilt attraktiv för formuleringar där både dispergeringskvalitet och mikrobiell stabilitet är avgörande.

Ett enda processteg ger två avgörande funktioner

I stället för att hantera pigmentdispergering och mikrobiell kontroll som separata uppgifter kombinerar ultraljudsbehandling dem i en enda operation. Denna dubbla effekt ger en tydlig industriell fördel.

Samma ultraljudsenergi som deagglomererar pigmentkluster och dispergerar partiklar jämnt kan också minska mängden livskraftiga mikroorganismer i beläggningen. Därmed bidrar ultraljudsbehandling till:

• finare och mer enhetlig pigmentdispersion
• förbättrad färgstyrka och optisk enhetlighet
• minskad mikrobiell kontaminering under bearbetningen
• förbättrad lagringsstabilitet hos vattenbaserade produkter
• mindre beroende av konserveringsmedel och biocider för konservering i förpackningen

Detta gör ultraljudsbehandling mycket relevant för utvecklingen av mer hållbara beläggningssystem med renare innehållsdeklarationer.
 

Ultraljudsdispergerad kiseldioxid: röd kurva – obehandlad; grön kurva: efter ultraljudsdispergering

Fördelar med samtidig dispergering och sterilisering av färgpigment

1. Bättre dispersionskvalitet förbättrar beläggningens prestanda
   Pigment och fyllmedel bildar ofta agglomerat som är svåra att bryta upp med otillräcklig mekanisk energi. Ultraljudsbehandling ger intensiv och riktad skjuvning, vilket gör den mycket effektiv för deagglomerering och partikelstorleksreduktion. En finare dispersion kan förbättra flera prestandaegenskaper hos den slutliga beläggningen, bland annat färgutveckling, täckförmåga, glans och långtidsstabilitet.
2. Samtidig sterilisering bidrar till minskad biocidanvändning
   Samtidigt kan ultraljudskavitation skada mikrobiella celler som finns i vätskefasen. Detta minskar kontamineringen i produktströmmen och bidrar till att förbättra den mikrobiella stabiliteten utan att enbart förlita sig på kemisk konservering. För tillverkare som strävar efter system med låg biocidhalt eller biocidfria system är detta en betydande processfördel.
3. Processintensifiering minskar komplexiteten
   Att kombinera två centrala processmål i ett enda inline-steg förenklar produktionen. I stället för att lägga till separata behandlingssteg för dispergering och mikrobiell kontroll kan beläggningstillverkare integrera båda i en enda kontrollerad ultraljudsprocess. Detta minskar hanteringen, bidrar till renare produktion och förbättrar reproducerbarheten.

Varför biocidfri bearbetning blir allt viktigare

Myndighetskrav, miljökrav och marknadskrav omformar formuleringsstrategier
Övergången till beläggningar med låg biocidhalt och biocidfria beläggningar drivs av flera industriella faktorer. Regelverken blir strängare, miljöförväntningarna ökar och kunderna efterfrågar säkrare och mer hållbara produkter med färre ämnen som inger betänkligheter.
I detta sammanhang får fysikaliska processtekniker strategisk betydelse. Ultraljudsbehandling är särskilt attraktiv eftersom den inte bara ersätter en tillsats med en annan. Den introducerar en icke-kemisk behandlingsprincip som förbättrar både dispersionen och den mikrobiella stabiliteten genom mekanisk energi.

För formuleringsutvecklare och produktionschefer erbjuder detta flera fördelar:

• stöd för mer hållbara produktkoncept
• minskat beroende av konventionella konserveringsmedel
• förbättrad processhygien
• starkare positionering för nästa generations vattenbaserade beläggningar

Varför Hielschers ultraljudsapparater är den bästa lösningen för industriell beläggningstillverkning

Exakt styrning för reproducerbara bearbetningsförhållanden

Hielschers ultraljudsapparater är utformade för industriell processtyrning. Vid beläggningstillverkning är exakt styrning av ultraljudsparametrarna avgörande eftersom formuleringens beteende beror på pigmenttyp, torrhalt, viskositet, temperatur, flödeshastighet och behandlingsintensitet.

Hielschers system möjliggör noggrann justering av viktiga processparametrar såsom:

• amplitud
• tryck
• flödeshastighet / uppehållstid
• temperatur
• energitillförsel

Denna precision gör det möjligt för tillverkare att optimera pigmentdispersionen, förbättra formuleringens kvalitet och uppnå reproducerbar mikrobiell reduktion.

SEM-bilder av vegetativa celler av B. subtilis före (a) och efter ultraljudsbestrålning i 30 min (b), (c).
Studie och bild: © Hashimoto et al., 2020

Trycksättningsbara flödesceller för intensifierad ultraljudsbehandling

Förhöjt tryck ökar kavitationens intensitet
En viktig fördel med Hielschers teknik är användningen av trycksättningsbara flödescellsreaktorer. Trycket har stor inverkan på kavitationsbeteendet. Vid förhöjt tryck blir kavitationen intensivare och effektivare, vilket är särskilt värdefullt för krävande dispersioner och kontinuerlig mikrobiell inaktivering.

Trycksättningsbara flödesceller möjliggör:

• intensifierad ultraljudsbehandling
• effektivare deagglomerering
• förbättrad processeffektivitet

För industriella anläggningar för beläggningstillverkning innebär detta att ultraljudsbehandlingen kan anpassas inte bara för genomförbarhet i laboratorieskala, utan även för faktisk produktionskapacitet och produktkrav.

Inlinebearbetning för kontinuerlig tillverkning

Ultraljudsbehandling kan integreras direkt i produktionslinjen
Hielschers ultraljudsapparater är mycket väl lämpade för inlinebearbetning. Detta gör att vattenbaserade beläggningar kan behandlas kontinuerligt när de passerar genom produktionssystemet. Inlinebehandling med ultraljud passar väl för industriell tillverkning eftersom den undviker onödig satshantering och kan integreras i överföringsslingor, recirkulationssystem eller särskilda processlinjer.

Inlinebearbetning erbjuder tydliga driftsfördelar:

• kontinuerlig behandling under definierade förhållanden
• enkel integrering i befintliga anläggningar
• minskad manuell hantering
• förbättrad processeffektivitet och jämnhet

För beläggningstillverkare gör detta ultraljudsbehandling till en praktisk produktionsteknik.

Spraytorkad TiO2 före och efter ultraljudsmalning

Linjär skalbarhet från laboratorium till industriell produktion

Processparametrar kan överföras tillförlitligt mellan olika skalor
Uppskalning är en kritisk fråga inom processutveckling. Hielschers ultraljudssystem är konstruerade för linjär skalbarhet, vilket innebär att processförhållanden som fastställts i laboratorie- eller pilotskala systematiskt kan överföras till industriell produktion.
Detta är särskilt viktigt för företag som utvecklar innovativa beläggningar med låg biocidhalt, eftersom det minskar risken vid implementering och bidrar till att påskynda kommersialiseringen.

Fördelarna med linjär skalbarhet omfattar:

• enklare processutveckling
• tillförlitlig överföring från forskning och utveckling till produktion
• förutsägbar prestanda vid högre genomströmning
• mindre osäkerhet vid uppskalning

Enkel rengöring och hygienisk processutformning

Rengörbarhet är viktig när mikrobiell stabilitet är målet
Om mikrobiell kontroll är ett centralt processmål blir utrustningens hygien ännu viktigare. Hielschers ultraljudsapparater är konstruerade för praktisk industriell rengöring och enkel integrering i hygieniska processmiljöer.

Enkel rengöring hjälper tillverkare att:

• minska kontamineringsriskerna i utrustningen
• stoppa mikrobiell tillväxt
• minska tidsåtgången för rengöring och underhåll
• förbättra processens tillförlitlighet under upprepade produktionscykler

I vattenbaserade beläggningar, där kontaminering kan kvarstå i tankar, döda zoner och överföringssystem, bidrar lättstädad ultraljudsutrustning direkt till produktstabilitet och robust drift.

Ultraljudsbehandlad kritfärg på grindometern visar pigmentens fullständigt enhetliga deagglomerering och partikelstorleksfördelning

Reproducerbara resultat för industriell kvalitetssäkring

Jämnhet är avgörande för beläggningstillverkare
Industriell färgproduktion kräver mycket reproducerbara processresultat. Optiska egenskaper, reologi, hållbarhet och mikrobiologisk stabilitet måste förbli jämna från sats till sats och under långa produktionsperioder.

Hielschers ultraljudsapparater ger reproducerbara ultraljudsförhållanden som främjar:

• enhetlig pigmentdispergering
• stabil partikelstorleksreduktion
• jämn mikrobiell behandling
• tillförlitlig produktkvalitet mellan produktionskörningar

Denna reproducerbarhet är avgörande för processvalidering, kvalitetssäkring och industriellt införande av ultraljudsteknik.

Ultraljudsbehandling som strategisk teknik för moderna vattenbaserade beläggningar

Beläggningsindustrin går mot formuleringar som är mer hållbara, innehåller mindre mängder farliga tillsatser och har robustare prestanda. Ultraljudsbehandling passar denna utveckling exceptionellt väl eftersom den hanterar två stora produktionsutmaningar samtidigt: behovet av effektiv pigmentdispergering och behovet av mikrobiell stabilitet.
Genom att kombinera dessa funktioner i ett processteg hjälper ultraljudsbehandling tillverkare att förenkla produktionen, förbättra beläggningskvaliteten och minska beroendet av konventionella konserveringssystem. Detta gör ultraljudsbehandling mycket attraktiv för byggnadsfärger, industriella beläggningar, funktionella dispersioner, tryckfärger och liknande vattenbaserade system.
Hielschers ultraljudsapparater tillhandahåller den industriella plattform som behövs för att genomföra denna strategi i praktiken. Deras precisa styrning, trycksättningsbara flödesceller, möjlighet till inlinebehandling, linjära skalbarhet, enkla rengöring och reproducerbara resultat gör dem särskilt lämpliga för produktion av färger och beläggningar.

Dra nytta av dispergering och sterilisering av beläggningar med ultraljud

Biocidfri sterilisering och dispergering av vattenbaserade beläggningar med ultraljud är en mycket lovande metod för modern färgtillverkning. Ultraljudsbehandling förbättrar pigmentdispergeringen, minskar den mikrobiella belastningen och bidrar till ökad produktstabilitet i en integrerad process. Denna kombination är särskilt värdefull i en bransch som står under växande press att minska användningen av konserveringsmedel och samtidigt upprätthålla hög produktkvalitet och processeffektivitet.
För tillverkare av vattenbaserade färger och beläggningar erbjuder Hielschers ultraljudsapparater en praktisk och industriellt beprövad lösning. Deras processtyrbarhet, inlineintegration, flödescellskonstruktion för intensifierad behandling, skalbarhet, möjlighet till hygienisk rengöring och reproducerbara prestanda gör dem till ett utmärkt val för samtidig dispergering och sterilisering av färgpigment.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater uppfyller naturligtvis CE-kraven samt kraven i UL, CSA och RoHs.

Litteratur / referenser

• 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.