Емульсії «вода в парафіновому воску»: економічно ефективне виробництво свічок за допомогою ультразвуку

Ультразвукова емульгація – це потужна технологія обробки для виробників свічок, які бажають зменшити споживання парафіну, покращити контроль над формуляцією та ефективно масштабувати виробництво. Диспергуючи до 10% води в розплавлений парафіновий віск, виробники свічок можуть знизити витрати на сировину, зберігаючи при цьому однорідну воскову фазу, придатну для промислового виробництва свічок. Зондові ультразвукові обробники Hielscher забезпечують високоінтенсивну кавітацію, необхідну для створення дрібних, однорідних емульсій типу «вода в воску» – від лабораторних випробувань до масштабу безперервного виробництва.

Покращення виробництва парафінових свічок за допомогою ультразвукової емульгації

Парафіновий віск залишається однією з найбільш широко використовуваних видів сировини у виробництві свічок. Однак коливання цін на віск, зростаючий тиск на маржу та потреба в більш ресурсоефективному виробництві створили високий інтерес до технологій, які зменшують використання парафіну без шкоди для надійності процесу. Ультразвукова емульгація дозволяє змішувати воду з розплавленим парафіновим воском, створюючи стабільні воскові емульсії.
З використанням високопотужного ультразвуку дрібнодисперсні краплі води можуть бути включені у воскову фазу, утворюючи стабільну емульсію типу «вода в парафіні». Коли до 10% води емульгується в парафіновий віск, виробники можуть зменшити кількість парафіну, необхідного на одну свічку, створюючи прямий ефект економії матеріалів. Для виробників із великим обсягом навіть незначне зменшення відсотка споживання воску може перетворитися на суттєву річну економію коштів.

Чому ультразвукова емульгація ідеально підходить для парафінового воску

Вода та парафіновий віск природно не змішуються. Традиційні методи змішування часто не можуть ефективно та однорідно диспергувати воду в розплавленому воску, особливо коли вимагаються стабільний розмір крапель, відтворюваність процесу та промислова продуктивність. Ультразвукова емульгація вирішує цю проблему завдяки акустичній кавітації.
Під час ультразвукової обробки високоінтенсивний ультразвук генерує мікроскопічні кавітаційні бульбашки в рідкому середовищі. Їхнє схлопування створює локальні високозсувні сили, турбулентність та інтенсивну енергію змішування. Hielscher описує ультразвукові емульгатори як пристрої, що використовують акустичну кавітацію для розбиття незмішуваних рідин на дуже дрібні краплі та їхнього однорідного розподілу.
Для обробки воску для свічок це означає, що воду можна диспергувати в розплавленому парафіні значно ефективніше, ніж за допомогою багатьох роторно-статорних змішувачів або низькозсувних агітаторів. Отримана емульсія може забезпечити:

• Дрібний розподіл крапель води у розплавленій восковій фазі
• Покращена однорідність у всій формуляції свічки
• Зменшення використання парафіну шляхом заміни частини об’єму воску водою
• Більш відтворювані партії завдяки контрольованим параметрам ультразвуку
• Ефективна обробка в лінії для безперервних виробничих ліній свічок

Економія парафіну шляхом емульгації до 10% води

Економічний рушій є прямим: парафіновий віск є коштовною базовою сировиною, тоді як вода є дешевою та легкодоступною. За допомогою ультразвукового введення до 10% води у матрицю воску виробники свічок можуть зменшити споживання парафіну на одиницю.
Наприклад, у сценарії виробництва з використанням 1 000 kg рецептури свічкового воску заміна 10% парафінової фази емульгованою водою може зменшити потребу в парафіні до 100 kg, залежно від розробки рецептури та специфікацій кінцевого продукту. В промислових масштабах це може означати значну економію на закупівлі, зберіганні та логістиці сировини.
Ключовим є не просто додавання води, а її правильне емульгування. Погано диспергована вода може розшаровуватися, спричиняти дефекти або порушувати обробку. Ультразвукове емульгування створює структуру дрібних крапель, необхідну для стабільного введення у розплавлену фазу воску. Hielscher особливо підкреслює ефективність використання сонікаторів зондового типу в поєднанні з ультразвуковими проточними комірками для емульгування парафінового воску, що покращує ефективність, однорідність, масштабованість та стабільну якість.

Ультразвукова обробка зменшує краплі парафінового воску до 160nm із довготривалою стабільністю

Наукове дослідження Jadhav et al. (2015) демонструє, що ультразвукова емульгація є ефективним шляхом для виробництва стабільних наноемульсій парафінового воску у воді, подолуючи нестабільність, типову для звичайних методів інверсії емульсії. Готуючи емульсію зі співвідношенням води до парафіну 80:20, вони оптимізували ключові параметри процесу – концентрацію ПАР, прикладену ультразвукову потужність та час ультразвукової обробки. За оптимізованих умов процесу дослідники досягли крапель парафінового воску розміром близько 160,9 nm, використовуючи 10 mg/mL SDS, 40% прикладеної потужності, що відповідає 0,61 W/mL, та 15 minutes ультразвукової обробки. Робота показує, що акустична кавітація фізично руйнує розплавлений парафін на нанорозмірні краплі, тоді як SDS швидко стабілізує щойно утворений інтерфейс; ДСК та ФІКС підтвердили, що парафіновий віск не зазнав хімічних змін під час ультразвукової обробки. Отримані краплі були твердими, сферичними, negatively charged через адсорбцію SDS та стабільними протягом більш ніж трьох місяців, тоді як емульсії, приготовані методом точки інверсії емульсії, кремувалися або розшаровувалися протягом 30 minutes. Загалом, прогрес полягає в доказі того, що ультразвукова обробка може виробляти дрібні, стабільні, низькоенергетичні наноемульсії парафінового воску з контрольованим розміром крапель, сильною фізичною стабільністю та чітким потенціалом для масштабованих воскових рецептур.

Зображення СЕМ ультразвуково приготованої емульсії парафінового воску при (a) 5000 , (b) 20 000
Дослідження та зображення: ©Jadhav et al. (2015)

Сонікатори Hielscher для емульсій «вода у воску»

Hielscher Ultrasonics виробляє сонікатори зондового типу для лабораторної, пілотної та промислової обробки рідин. Їхні ультразвукові системи використовуються для таких застосувань, як емульгування, гомогенізація, диспергування, зменшення розміру частинок, екстракція та хімічна обробка.
Для виробництва свічок головною перевагою є контроль процесу. Сонікатори Hielscher дозволяють операторам визначати та відтворювати ключові параметри ультразвукової обробки, включаючи амплітуду, енерговитрати, температуру, тиск, об’ємну витрату та час перебування. Це особливо важливо для розплавленого парафінового воску, де в’язкість та температура сильно впливають на якість емульгування.

Наноемульсія, вироблена ультразвуком

Типові варіанти впровадження включають:

1. Періодична ультразвукова обробка для розробки рецептур, малих виробничих партій або спеціальних свічок
2. Безперервна ультразвукова обробка з проточними комірками для безперервної обробки воску
3. Герметичні реактори для підвищеної інтенсивності кавітації та контрольованої обробки
4. Системи на рамі для інтеграції в існуючі промислові лінії виробництва свічок

Промисловий портфель Hielscher включає високоефективні ультразвукові процесори, такі як UIP4000hdT, який забезпечує потужність ультразвуку до 4 kW для складних промислових завдань обробки рідин, включаючи гомогенізацію, емульгування, диспергування та тонке подрібнення частинок. Для більших виробничих потужностей Hielscher пропонує системи, такі як UIP16000, промисловий ультразвуковий процесор потужністю 16 kW, розроблений для високопродуктивної потокової обробки та інтеграції у виробничі середовища.
Кластеризація кількох сонікаторів паралельно дозволяє забезпечити резервування та поступове масштабування зі зростанням попиту та розширенням бізнесу.

Промислове значення для виробників свічок

Свічкова промисловість працює в умовах сильного тиску витрат, особливо при масовому виробництві чайних свічок, стовпових свічок, вотивних свічок, контейнерних свічок та декоративних свічок. Волатильність цін на парафіновий віск безпосередньо впливає на прибутковість. Ультразвукове емульгування води у воску дає виробникам практичний шлях до зменшення споживання воску при збереженні масштабованого та контрольованого виробничого процесу.

Промислове значення особливо сильне там, де виробникам потрібно:

• Високооб’ємне виробництво з стабільною якістю воску
• Знижене споживання парафіну на одну свічку
• Безперервна потокова обробка замість змішування лише в партіях
• Надійний перенесення процесу з R&D у виробництво
• Точний контроль якості емульсії
• Інтеграція в існуючі лінії плавлення, дозування та лиття

Ця технологія також приваблива для виробників, які розробляють нові оптимізовані за вартістю формули свічок. Коригуючи вміст води, систему емульгаторів, температуру воску та вхідну ультразвукову енергію, виробники можуть адаптувати формулу до бажаної геометрії свічки, поведінки при горінні, поверхневої обробки та методу виробництва.
Як і з будь-якою зміною формули свічки, виробники повинні перевірити ефективність горіння, зовнішній вигляд, стабільність, безпеку, сумісність із ароматами та поведінку при зберіганні за власних виробничих умов. Однак ультразвукове емульгування забезпечує інтенсивність обробки та відтворюваність, необхідні для того, щоб така розробка формул була технічно здійсненною в промислових масштабах.

Ультразвукова обробка як конкурентна перевага у воскових емульсіях

Для виробників свічок ультразвукове емульгування є більше, ніж методом змішування. Це технологія інтенсифікації процесу, яка може зменшити витрати на сировину, покращити гнучкість формулювання та підтримувати масштабоване виробництво.
Сонікатори Hielscher розроблені саме для цього типу складних завдань обробки рідин. Від лабораторних випробувань із розплавленим парафіном до безперервного потокового емульгування в промисловому виробництві, ультразвукові системи Hielscher забезпечують потужність, контроль та масштабованість, необхідні для емульсій воску для свічок «вода в парафіні».
Інтегруючи до 10% води у парафіновий віск за допомогою ультразвукової кавітації, виробники свічок можуть зменшити залежність від дорогого парафіну, зберігаючи контрольовану, гомогенну воскову формулу. Для промислового виробництва свічок це створює чітку економічну та операційну перевагу: нижчі витрати на матеріали, відтворювану якість та прямий шлях від формулювання в лабораторних масштабах до повномасштабного виробництва.

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

Ультразвукові воскові емульсії: лінійне масштабування від лабораторії до промислового виробництва

Однією з головних переваг технології Hielscher Ultrasonics є лінійне масштабування. Виробники свічок можуть починати з невеликомасштабного тестування feasibility, оптимізувати формуляцію емульсії «вода в парафіні», а потім перенести параметри процесу на більші системи.
На відміну від багатьох звичайних технологій змішування, де масштабування може вимагати значних переробок і невизначених коригувань, масштабування за допомогою ультразвуку базується на відтворюваних параметрах процесу. Після того, як необхідні специфічна енергоємність, амплітуда, температура, тиск і час перебування (швидкість потоку) відомі, процес можна масштабувати шляхом збільшення ультразвукової потужності та пропускної здатності або шляхом паралельної роботи кількох ультразвукових установок.
Цей підхід особливо цінний для виробників свічок, оскільки він знижує ризики розробки. Формуляцію, розроблену на лабораторному або настільному соникаторі, можна валідувати на пілотному обладнанні, а потім перенести на повномасштабне промислове виробництво. Hielscher зазначає, що настільні гомогенізатори можна використовувати для досліджень застосування, робіт зі масштабування, пілотних досліджень, оптимізації процесу та обробки менших партій, тоді як високопотужні ультразвукові зонди від 4 до 16 kW доступні для високопродуктивної потокової або партійної обробки.
Для великих виробничих заводів кластеризація кількох ультразвукових процесорів забезпечує дуже високу пропускну здатність, зберігаючи при цьому ті самі умови кавітації в кожному реакторі. Ця модульна концепція підтримує надійне розширення потужностей без втрати стабільності продукту.

Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові гомогенізатори в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Література / Посилання

• 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.