Водно-парафінові емульсії: економічно вигідне виробництво свічок за допомогою ультразвуку

Ультразвукова емульгація — це ефективна технологія обробки для виробників свічок, які прагнуть зменшити споживання парафіну, поліпшити контроль над складом сумішей та ефективно нарощувати обсяги виробництва. Завдяки введенню до 10 % води в розплавлений парафін виробники свічок можуть знизити витрати на сировину, зберігаючи при цьому однорідну парафінову фазу, придатну для промислового виробництва свічок. Ультразвукові прилади Hielscher з зондовим типом забезпечують кавітацію високої інтенсивності, необхідну для створення дрібних, однорідних емульсій типу «вода в парафіні». – від лабораторних випробувань до масштабів серійного виробництва.

Покращення виробництва парафінових свічок за допомогою ультразвукової емульгації

Парафін залишається однією з найпоширеніших сировинних матеріалів у виробництві свічок. Однак коливання цін на парафін, посилення тиску на рентабельність та необхідність переходу до більш ресурсоефективного виробництва викликали значний інтерес до технологій, що дозволяють зменшити споживання парафіну без шкоди для надійності технологічного процесу. Ультразвукова емульгація дозволяє змішувати воду з розплавленим парафіном, створюючи стабільні парафінові емульсії.
За допомогою потужного ультразвуку дрібнодисперсні краплі води можна ввести у воскову фазу, утворюючи стабільну емульсію типу «вода в парафіні». Коли до парафіну емульгується до 10 % води, виробники можуть зменшити кількість парафіну, необхідну на одну свічку, що безпосередньо сприяє економії сировини. Для виробників, що працюють у великих обсягах, навіть незначне відсоткове зменшення споживання парафіну може призвести до суттєвої щорічної економії витрат.

Чому ультразвукова емульгація є ідеальним методом для парафіну

Вода та парафін за своєю природою не змішуються. За допомогою традиційних методів змішування часто буває складно дрібно та рівномірно розподілити воду в розплавленому парафіні, особливо коли необхідні стабільний розмір крапель, відтворюваність процесу та промислова продуктивність. Ультразвукова емульгування вирішує цю проблему за допомогою акустичної кавітації.
Під час ультразвукової обробки ультразвук високої інтенсивності утворює в рідкому середовищі мікроскопічні кавітаційні бульбашки. Їхній колапс спричиняє локальні високі зсувні сили, турбулентність та інтенсивну енергію перемішування. Компанія Hielscher описує ультразвукові емульгатори як пристрої, що використовують акустичну кавітацію для розбиття незмішуваних рідин на дуже дрібні краплі та їх рівномірного розподілу.
Що стосується переробки свічкового воску, це означає, що воду можна розподілити у розплавленому парафіні набагато ефективніше, ніж за допомогою багатьох роторно-статорних змішувачів або мішалок з низьким рівнем зсуву. Отримана емульсія може забезпечити:

• Рівномірний розподіл дрібних крапель води у фазі розплавленого воску
• Покращена однорідність у складі свічки
• Зменшення споживання парафіну шляхом заміни частини об’єму воску водою
• Більш відтворювані партії завдяки можливості регулювання параметрів ультразвуку
• Ефективна вбудована обробка для ліній безперервного виробництва свічок

Економія парафіну за рахунок емульгування до 10 % води

Економічна мотивація цілком зрозуміла: парафін — це дорогий вихідний матеріал, тоді як вода є недорогою і легкодоступною. Завдяки ультразвуковому введенню до 10 % води в парафінову матрицю виробники свічок можуть зменшити споживання парафіну на одиницю продукції.
Наприклад, у виробничому сценарії, де використовується 1 000 кг суміші для виготовлення свічок, заміна 10 % парафінової фази на емульговану воду може зменшити споживання парафіну на 100 кг, залежно від складу суміші та технічних характеристик кінцевого продукту. У промислових масштабах це може означати значну економію на закупівлі сировини, її зберіганні та логістиці.
Головне — не просто додати воду, а правильно її емульгувати. Погано диспергована вода може відокремитися, спричинити дефекти або погіршити якість обробки. Ультразвукова емульгація створює структуру дрібних крапель, необхідну для стабільного введення у фазу розплавленого воску. Компанія Hielscher особливо виділяє ультразвукові прилади з зондовим типом, поєднані з ультразвуковими проточними камерами, як ефективний підхід до емульгації парафінового воску, що підвищує ефективність, однорідність, масштабованість та стабільність якості.

Ультразвукова обробка дозволяє зменшити розмір крапель парафіну до 160 нм із тривалою стабільністю

Наукове дослідження, проведене Джадхавом та ін. (2015), демонструє, що емульгування з використанням ультразвуку є ефективним способом отримання стабільних наноемульсій типу «парафін у воді», що дозволяє подолати нестабільність, характерну для традиційних методів інверсії емульсій. Приготувавши емульсію зі співвідношенням «вода до парафіну» 80:20, вони оптимізували ключові параметри процесу – концентрація поверхнево-активної речовини, потужність ультразвуку та час обробки ультразвуком. За оптимізованих умов процесу дослідники отримали краплі парафіну розміром приблизно 160,9 нм, використовуючи 10 мг/мл SDS, 40 % потужності, що відповідає 0,61 Вт/мл, та 15 хвилин обробки ультразвуком. Ця робота показує, що акустична кавітація фізично розбиває розплавлений парафін на нанорозмірні краплі, тоді як SDS швидко стабілізує новоутворену межу розділу фаз; DSC та FTIR підтвердили, що парафіновий віск не зазнав хімічних змін під час ультразвукової обробки. Отримані краплі були твердими, сферичними, негативно зарядженими внаслідок адсорбції SDS та стабільними протягом більше ніж трьох місяців, тоді як емульсії, приготовані методом точки інверсії емульсії, розшаровувалися або розділялися протягом 30 хвилин. Загалом, досягнення полягає у доведенні того, що ультразвукова обробка дозволяє отримувати дрібні, стабільні, енергоефективні наноемульсії парафіну з контрольованим розміром крапель, високою фізичною стабільністю та очевидним потенціалом для масштабованих рецептур на основі парафіну.
 

Зображення, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM), парафінової емульсії, підготовленої ультразвуком, при (а) 5000, (б) 20 000
Дослідження та ілюстрація: ©Jadhav et al. (2015)

Ультразвукові апарати Hielscher для емульсій типу «вода у воску»

Компанія Hielscher Ultrasonics виробляє ультразвукові апарати з зондовим типом для лабораторної, пілотної та промислової обробки рідин. Її ультразвукові системи застосовуються для таких процесів, як емульгування, гомогенізація, диспергування, подрібнення частинок, екстракція та хімічна обробка.
У виробництві свічок головною перевагою є контроль технологічного процесу. Ультразвукові апарати компанії Hielscher дають операторам можливість задавати та відтворювати ключові параметри ультразвукової обробки, зокрема амплітуду, потужність, температуру, тиск, швидкість потоку та час перебування. Це особливо важливо для розплавленого парафіну, оскільки в’язкість і температура суттєво впливають на якість емульгування.

Наноемульсія, отримана ультразвуковим методом

До типових варіантів реалізації належать:

1. Партова обробка ультразвуком для розробки рецептур, невеликих виробничих партій або виготовлення спеціальних свічок
2. Вбудована ультразвукова обробка з використанням проточних комірок для безперервної переробки воску
3. Реактори, що можуть працювати під тиском, для підвищення інтенсивності кавітації та контрольованого технологічного процесу
4. Системи на рамі для інтеграції в існуючі промислові лінії з виробництва свічок

Промисловий асортимент компанії Hielscher включає потужні ультразвукові процесори, такі як UIP4000hdT, що забезпечує потужність ультразвуку до 4 кВт для виконання складних промислових завдань з обробки рідин, зокрема гомогенізації, емульгування, диспергування та дрібнодисперсного подрібнення частинок. Для більших виробничих потужностей компанія Hielscher пропонує такі системи, як UIP16000 — промисловий ультразвуковий процесор потужністю 16 кВт, призначений для потокової обробки великих обсягів та інтеграції у виробничі середовища.
Паралельне об’єднання декількох ультразвукових апаратів забезпечує резервність та поетапне збільшення потужностей у міру зростання попиту та розширення бізнесу.

Практичне значення для виробників свічок

Свічкова промисловість працює в умовах значного цінового тиску, особливо у сфері масового виробництва чайних свічок, стовпчастих свічок, вотивних свічок, свічок у контейнерах та декоративних свічок. Коливання цін на парафін безпосередньо впливає на рентабельність. Ультразвукова емульгація «вода у воску» надає виробникам практичний спосіб зменшити споживання воску, зберігаючи при цьому масштабований та контрольований виробничий процес.

Промислова актуальність є особливо високою в тих випадках, коли виробникам потрібні:

• Масове виробництво з незмінною якістю воску
• Менше споживання парафіну на одну свічку
• Безперервна потокова обробка замість виключно пакетного змішування
• Надійне перенесення процесу з R&D до виробництва
• Точний контроль якості емульсії
• Інтеграція в існуючі лінії плавлення, дозування та лиття

Ця технологія також є привабливою для виробників, які розробляють нові, оптимізовані з точки зору витрат рецептури свічок. Регулюючи вміст води, систему емульгаторів, температуру воску та потужність ультразвукового випромінювання, виробники можуть адаптувати рецептуру до бажаної геометрії свічки, характеристик горіння, зовнішнього вигляду поверхні та методу виробництва.
Як і у випадку будь-яких змін у рецептурі свічок, виробники повинні перевірити характеристики горіння, зовнішній вигляд, стабільність, безпеку, сумісність ароматів та поведінку при зберіганні у своїх власних виробничих умовах. Однак ультразвукова емульгація забезпечує інтенсивність обробки та відтворюваність, необхідні для того, щоб розробка таких рецептур стала технічно можливою в промислових масштабах.

Ультразвукова обробка як конкурентна перевага у виробництві воскових емульсій

Для виробників свічок ультразвукова емульгація — це не просто метод змішування. Це технологія інтенсифікації виробничих процесів, яка дозволяє знизити витрати на сировину, підвищити гнучкість рецептур та забезпечити масштабоване виробництво.
Ультразвукові апарати Hielscher призначені саме для такого типу складних завдань з обробки рідин. Від лабораторних випробувань із розплавленим парафіном до безперервного потокового емульгування в умовах промислового виробництва — ультразвукові системи Hielscher забезпечують потужність, контроль та масштабованість, необхідні для отримання емульсій «вода в парафіні» для свічкового воску.
Завдяки додаванню до 10 % води до парафіну за допомогою ультразвукової кавітації виробники свічок можуть зменшити залежність від дорогого парафіну, зберігаючи при цьому контрольований та однорідний склад парафіну. Для промислового виробництва свічок це створює очевидні економічні та виробничі переваги: зниження витрат на сировину, стабільну якість та прямий перехід від лабораторної рецептури до повномасштабного виробництва.

 
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Ультразвукові воскові емульсії: лінійне масштабування від лабораторних умов до промислового виробництва

Однією з головних переваг ультразвукової технології Hielscher є лінійне масштабування. Виробники свічок можуть розпочати з невеликих експериментів з перевірки технічної здійсненності, оптимізувати рецептуру «вода в парафіні», а потім перенести параметри процесу на системи більшого масштабу.
На відміну від багатьох традиційних технологій змішування, де масштабування може вимагати значного перепроектування та невизначених налаштувань, ультразвукове масштабування ґрунтується на відтворюваних параметрах процесу. Як тільки стають відомими необхідні величини питомої енергії, амплітуди, температури, тиску та часу перебування (швидкості потоку), процес можна масштабувати шляхом збільшення потужності ультразвуку та пропускної здатності або шляхом паралельної роботи декількох ультразвукових установок.
Цей підхід є особливо цінним для виробників свічок, оскільки він знижує ризики, пов’язані з розробкою. Рецептура, розроблена на лабораторному або настільному ультразвуковому гомогенізаторі, може бути перевірена на пілотному обладнанні, а потім перенесена на повномасштабне промислове виробництво. Компанія Hielscher зазначає, що настільні гомогенізатори можна використовувати для прикладних досліджень, масштабування, пілотних досліджень, оптимізації процесів та обробки невеликих партій, тоді як ультразвукові зонди високої потужності від 4 до 16 кВт призначені для великосерійної потокової або періодичної обробки.
На великих виробничих підприємствах об’єднання декількох ультразвукових процесорів у кластер дозволяє досягти дуже високої пропускної здатності, зберігаючи при цьому однакові умови кавітації в кожному реакторі. Ця модульна концепція забезпечує надійне збільшення виробничої потужності без шкоди для стабільності якості продукції.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Література / Список літератури