Cas d'application d'un émulsifiant mélangeur à cisaillement à grande vitesse
Dans la production de produits liquides à grande échelle, le processus de mélange et d'émulsification par cisaillement est un maillon essentiel qui affecte directement la qualité, la stabilité et la durée de conservation des produits. Une installation de production spécialisée dans les produits liquides et leurs dérivés a été confrontée à des défis persistants dans sa section d'émulsification par cisaillement, ce qui a limité l'efficacité de la production et la cohérence des produits. L'introduction d'émulsifiants mélangeurs à cisaillement à grande vitesse a permis de résoudre efficacement ces problèmes, en améliorant sensiblement les performances de production et la qualité des produits.
Contexte et défis
L'installation exploitait deux ensembles d'équipements d'émulsification par cisaillement avec une production quotidienne de 240 à 360 tonnes, fonctionnant en continu pendant 20 heures par jour pour répondre à la demande du marché. Avant la mise à niveau de l'équipement, les émulsifiants existants présentaient les problèmes suivants :
- Efficacité d'émulsification par cisaillement insuffisante: L'équipement traditionnel ne pouvait pas décomposer complètement les particules dispersées et les agglomérats dans les matières premières, ce qui entraînait une distribution granulométrique inégale. La taille moyenne des particules restait à 3-5 μm, ce qui entraînait un phénomène de stratification évident dans les produits pendant le stockage à basse température, avec un taux de séparation allant jusqu'à 8 % en 7 jours.
- Consommation d'énergie élevée et maintenance fréquente: L'équipement fonctionnait à une vitesse fixe sans ajustement adaptatif à la viscosité des matières premières, consommant une électricité excessive. L'intervalle de changement d'huile de lubrification n'était que de 1 250 heures de fonctionnement, ce qui nécessitait des arrêts fréquents pour la maintenance, ce qui réduisait le taux de disponibilité global de la production à environ 85 %.
- Faible stabilité du produit: En raison d'un mélange et d'une émulsification par cisaillement inadéquats, la qualité sensorielle des produits présentait des différences significatives d'un lot à l'autre, notamment une texture et une uniformité incohérentes. Le taux de conformité des produits finis était maintenu à 88-90 %.
- Risques de conformité en matière d'hygiène: La cavité de l'équipement présentait des angles morts structurels difficiles à nettoyer, et les résidus de matériaux provoquaient facilement une contamination microbienne. Elle ne répondait pas pleinement aux normes d'hygiène GMP et GB 14881-2013, ce qui nécessitait des procédures de nettoyage manuelles supplémentaires qui augmentaient les coûts de main-d'œuvre.
Sélection de l'équipement et configuration technique
Pour résoudre ces problèmes, l'installation a sélectionné des émulsifiants mélangeurs à cisaillement à grande vitesse avec une conception modulaire, intégrant des technologies de pointe pour répondre à ses besoins de production. Les principales configurations techniques sont les suivantes :
- Structure de cisaillement stator-rotor à plusieurs étages: Adoption d'une conception stator-rotor composite à trois étages avec un jeu réglable de 0,05 à 0,2 mm. La vitesse du rotor peut être ajustée en continu dans la plage de 500 à 15 000 tr/min grâce à la technologie de conversion de fréquence, générant un taux de cisaillement allant jusqu'à 80 000 s⁻¹, ce qui décompose efficacement les particules agglomérées et améliore l'uniformité du mélange.
- Système de contrôle de la température à chemise: La cavité de l'équipement est équipée d'une structure de contrôle de la température à chemise, permettant un contrôle précis de la température entre 0 et 120℃ avec une plage de fluctuation de ±1,5℃. Cela évite une élévation excessive de la température pendant le cisaillement à grande vitesse, protégeant les composants sensibles à la chaleur dans les matières premières.
- Conception structurelle hygiénique: La cavité est en acier inoxydable 316L avec une finition polie miroir, atteignant une rugosité de surface Ra ≤ 0,8 μm. Elle adopte une structure à démontage rapide sans angles morts, permettant un nettoyage complet en 5 minutes et prenant en charge les systèmes de nettoyage CIP/SIP pour répondre aux exigences d'hygiène strictes.
- Contrôle et protection intelligents: Équipé d'un capteur de couple intelligent et d'un système de contrôle en boucle fermée, il peut ajuster automatiquement la vitesse de rotation en fonction de la variation de la viscosité des matériaux, évitant ainsi les risques de surcharge. La structure à double garniture mécanique empêche les fuites de matériaux et assure un fonctionnement sûr.
- Optimisation de la lubrification: Associé à une huile de lubrification de qualité H1, sans danger pour les aliments, non toxique et compatible avec les exigences de production. Elle possède une excellente résistance à l'oxydation et à l'usure, ce qui prolonge l'intervalle de changement d'huile de lubrification.
Effet de la mise en œuvre et analyse des données
Après cinq mois d'exploitation et d'optimisation à titre d'essai, les émulsifiants mélangeurs à cisaillement à grande vitesse ont permis d'améliorer considérablement l'efficacité de la production, la qualité des produits et le contrôle des coûts d'exploitation. Les données spécifiques sont les suivantes :
1. Amélioration de la qualité des produits
L'effet d'émulsification par cisaillement a été considérablement amélioré, la taille moyenne des particules des matériaux étant réduite à 0,5-1 μm et l'indice de polydispersité (PDI) contrôlé en dessous de 0,15. Le taux de séparation par stratification des produits pendant le stockage à basse température a été réduit à moins de 1 % en 30 jours, et la stabilité de l'émulsion a été considérablement améliorée. La cohérence de la qualité sensorielle des lots a été considérablement améliorée, le taux de conformité des produits finis étant passé de 88-90 % à 99,5 %.
2. Optimisation de la consommation d'énergie et de la maintenance
La régulation de la vitesse par conversion de fréquence et la structure de cisaillement efficace ont réduit la consommation d'énergie unitaire d'environ 5 %, économisant 55 MWh d'électricité et réduisant les émissions de CO₂ de 33 tonnes par an. L'intervalle de changement d'huile de lubrification a été prolongé de 1 250 heures de fonctionnement à 9 000 heures de fonctionnement, ce qui équivaut à environ trois ans de fonctionnement continu dans des conditions de travail quotidiennes. Cela a non seulement réduit le coût de l'huile de lubrification et de la main-d'œuvre de maintenance, mais a également augmenté le taux de disponibilité de l'équipement à 96 %.
3. Efficacité de la production et commodité opérationnelle
L'efficacité du cisaillement à grande vitesse a réduit le temps d'émulsification d'un seul lot de 30 minutes à 15 minutes, augmentant la capacité de production globale de 30 %. Le système de contrôle intelligent a permis un fonctionnement automatique, réduisant l'intervention manuelle et les erreurs opérationnelles. La structure à démontage rapide et facile à nettoyer a réduit le temps de nettoyage de 60 %, assurant la continuité de la production et réduisant le risque de contamination croisée.
4. Mise à niveau de la conformité en matière d'hygiène
La conception de la cavité sans angle mort et l'huile de lubrification sans danger pour les aliments ont pleinement satisfait aux exigences des normes GMP et GB 14881-2013. Les résultats de la détection microbienne ont montré que le nombre total de colonies dans les produits restait stable à un faible niveau, éliminant les risques de conformité en matière d'hygiène et réduisant le coût des retouches dues à la contamination.
Résumé
L'application d'émulsifiants mélangeurs à cisaillement à grande vitesse a fondamentalement résolu les problèmes de longue date dans la section d'émulsification par cisaillement de l'installation de production. En optimisant l'effet d'émulsification par cisaillement, en réduisant la consommation d'énergie et les coûts de maintenance, et en améliorant la stabilité des produits et la conformité en matière d'hygiène, elle a jeté des bases solides pour le développement durable de la production. La conception modulaire et le contrôle intelligent de l'équipement offrent également une flexibilité pour l'expansion future de la production et la modernisation des produits, en s'adaptant à l'évolution des exigences du marché en matière de qualité et de sécurité des produits.
Dans la production pratique, les performances des émulsifiants mélangeurs à cisaillement à grande vitesse sont étroitement liées aux caractéristiques des matériaux, aux paramètres du processus et à la gestion opérationnelle. Grâce à l'optimisation continue des paramètres de correspondance et à la maintenance normalisée, l'équipement peut jouer un rôle plus important dans l'amélioration de l'efficacité de la production et de la qualité des produits, créant ainsi plus de valeur pour l'installation de production.
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