Design of a Tank Cleaning Blend through a Systematic Emulsified Product Design Methodology

Commercial and industrial detergents, formulated liquid blends, have recently become extremely sophisticated, in order to address a broad range of cleaning tasks and to deliver superior performances with a minimum of effort and time. These products, by definition, consist of different chemicals, each with a specific function related to the needs of the product: surfactants, builders, bleaching agents, enzymes and minors, usually mixed together with a carrier, necessary to keep the blend as a homogeneous liquid formulation.  A system approach and associated tools  can help to  virtually generate and test different  candidates in order to identify the  most  promising  formulations  before  a  detailed  experimental stage  for  final selection  and  product development  is  applied.  In this  way, the  whole  design  procedure speeds  up, saving time  and money,  and the optimum formulation is identified, since a broad range of alternatives are investigated. The approach adopted for the design of emulsion-based chemical products consists in a systematic model-based methodology employing seven hierarchical steps: starting with the identification of the product needs and their translation into appropriate target properties, then building the formulation by adding, one-by-one, the different classes of chemicals needed for each function: from the active ingredients, to the solvents, the emulsifiers and the additives, and finally determining the optimal composition of the formulated product. The design of the ingredients, driven by selection criteria based on the functional properties of each category of chemicals as well as by consideration of effectiveness, safety, toxicity and cost, is done through a data-model based computer aided molecular design technique. When  a model-based design  is not applicable since the functional properties  needed to  perform  a rigorous  choice  are  not readily  available for  consideration  in  a  product  design methodology, rule-based selection criteria are applied. These are centered on structured databases, where some relevant properties (e.g. safety or toxicity-related), if not available,are predicted through dedicated pure component property models. Once all the most advantageous ingredients have been chosen, the recipe candidates are identified through a  knowledge-based mixture design method, where economic  considerations are  included together with appropriate boundaries related to solubility, stability, toxicity and safety issues. A special database of  chemicals, classified according to their function and associated properties, has been developed. Also, a model library consisting of pure component and mixture property models has been developed so that the needed functional properties can be reliably predicted when their data cannot be found in the database. The  abovementioned  methodology  and related tools  are  generic,  in the sense that  many  different  emulsified products can be designed through this framework once the needs-property relations are established, and they are here highlighted through a  case-study dealing with the design of a tank  cleaning blend. The main focus of this contribution is on the design of surfactants,primary responsible for the cleaning activity, thanks to a comprehensive framework  based  on  newly  developed  both  pure  component  and  mixture  property  models.  The  work-flow methodology with associated models, tools, databases and algorithms will be implemented into a computer-aided framework for emulsion-based formulation design.