Étude de cas : Application d'un émulsifiant mobile à cisaillement élevé dans la production de crèmes cosmétiques
Dans le domaine de la production cosmétique, la consistance de la texture du produit, la stabilité du système d'émulsion et l'efficacité du processus de production sont des facteurs clés qui affectent directement la qualité du produit et son acceptation sur le marché. Pour les entreprises engagées dans la production de produits cosmétiques en lots moyens et petits, en particulier celles impliquant de multiples catégories de produits et des ajustements fréquents de formules, la flexibilité et l'adaptabilité des équipements de production sont devenues des indicateurs importants pour la sélection des lignes de production. Cette étude de cas se concentre sur l'application pratique d'un émulsifiant mobile à cisaillement élevé dans la production de crème pour le visage et de lotion pour le corps, en détaillant le contexte d'application de l'équipement, le processus de fonctionnement, les effets de résolution des problèmes et la valeur d'application à long terme, sur la base des pratiques de production réelles.
1. Contexte de l'application
L'entreprise concernée par cette étude de cas est principalement engagée dans la recherche et la production de produits de soins de la peau, couvrant une variété de types de produits tels que les crèmes pour le visage, les lotions pour le corps, les émulsions et les sérums. Avant d'introduire l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé, l'entreprise était confrontée à plusieurs problèmes importants dans le processus de production : Premièrement, l'équipement d'émulsification fixe traditionnel avait un volume important et était difficile à déplacer, ce qui rendait impossible d'allouer de manière flexible les zones de production en fonction du plan de production. Chaque ligne de production ne pouvait être fixée que pour un certain type de produit, ce qui entraînait un faible taux d'utilisation de l'espace de production. Deuxièmement, lors du passage d'une formule de produit à une autre, le nettoyage et la désinfection des équipements fixes prenaient beaucoup de temps (généralement 4 à 6 heures), et il existait un risque de contamination croisée entre différents lots et différents types de produits, ce qui affectait la stabilité de la qualité du produit. Troisièmement, pour la production d'essai en petits lots de nouvelles formules (volume de lot de 50 à 200 L), l'équipement fixe avait une consommation d'énergie élevée et une faible efficacité de production, et le petit lot de matériaux était difficile à émulsionner et à mélanger complètement, ce qui entraînait des problèmes tels qu'une texture de produit rugueuse et une dispersion inégale des ingrédients fonctionnels.
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, l'entreprise a mené des recherches approfondies sur les équipements de production et a finalement sélectionné un émulsifiant mobile à cisaillement élevé avec un volume de travail de 100L-500L. La principale considération était que l'équipement présente les caractéristiques d'un mouvement flexible, d'une structure compacte, d'une émulsification efficace et d'un nettoyage facile, ce qui peut s'adapter aux besoins de production de petits et moyens lots, de variétés multiples et de changements fréquents de formules. Dans le même temps, l'équipement est conforme aux normes GMP et FDA pour la production cosmétique, garantissant la sécurité et l'hygiène du processus de production.
2. Aperçu et installation de l'équipement
L'émulsifiant mobile à cisaillement élevé adopté dans cette étude de cas intègre des fonctions telles que le mélange, l'homogénéisation à cisaillement élevé, l'émulsification, le chauffage, le refroidissement et le désaération sous vide. La structure globale de l'équipement est compacte, avec une longueur de 1,8 mètre, une largeur de 1,2 mètre et une hauteur de 2,5 mètres. Le fond est équipé de quatre roues universelles à forte charge (avec fonction de freinage), qui peuvent être facilement déplacées sur le sol plat de l'atelier, et la résistance au mouvement est faible, ce qui peut être utilisé par une seule personne. Le réservoir de mélange, la tête d'homogénéisation, le racleur et d'autres pièces de l'équipement en contact avec les matériaux sont en acier inoxydable 316L, avec une surface intérieure polie miroir (rugosité de surface Ra ≤ 0,4 μm), qui est résistant à la corrosion et facile à nettoyer. La tête d'homogénéisation à cisaillement élevé adopte une structure stator-rotor à 4 étages, avec un espace de cisaillement de 0,03 à 0,1 mm et une plage de régulation de vitesse en continu de 3000 à 15000 tr/min, ce qui peut générer une forte force de cisaillement pour décomposer les gouttelettes de matériau en micro-particules.
L'installation de l'équipement est simple et pratique, sans qu'il soit nécessaire de construire des fondations professionnelles. Il suffit de placer l'équipement dans une zone plane et sèche de l'atelier, de connecter l'alimentation électrique (380V, 50Hz), la conduite d'eau de refroidissement et la conduite d'air comprimé (pour la décharge auxiliaire), et de terminer le débogage après avoir vérifié l'étanchéité de chaque conduite et le fonctionnement du moteur. Le système de contrôle de l'équipement adopte un écran tactile PLC, avec une interface bilingue chinois-anglais, qui est facile à utiliser. Les opérateurs peuvent maîtriser les méthodes de fonctionnement de base après une formation simple (généralement 1 à 2 jours), y compris le réglage des paramètres, le fonctionnement marche-arrêt et la maintenance quotidienne.
Comparé aux équipements d'émulsification fixes traditionnels, cet équipement mobile n'a pas besoin d'occuper une zone de production fixe. Il peut être déplacé vers la zone d'alimentation, la zone de mélange ou la zone de décharge correspondantes en fonction du processus de production. Par exemple, lors de la production de crème pour le visage, il peut être déplacé vers la zone de stockage des matières premières pour l'alimentation, puis vers la zone à température constante pour l'émulsification, et enfin vers la zone d'emballage des produits finis pour la décharge, ce qui optimise considérablement l'agencement de l'atelier de production et améliore le taux d'utilisation de l'espace de production.
3. Processus d'application pratique (prise de la production de crème pour le visage comme exemple)
L'entreprise utilise principalement cet émulsifiant mobile à cisaillement élevé pour produire de la crème pour le visage (type huile-dans-eau, viscosité 10000-30000 mPa·s) et de la lotion pour le corps (type huile-dans-eau, viscosité 5000-15000 mPa·s). Ce qui suit prend la production de crème pour le visage (volume de lot de 200L) comme exemple pour détailler le processus d'application et les points de fonctionnement de l'équipement.
3.1 Préparation avant production
Avant de commencer la production, les opérateurs vérifient d'abord l'intégrité de l'équipement, y compris le fonctionnement du moteur, l'étanchéité du système de vide, la fluidité de la conduite d'eau de refroidissement et l'usure de la tête d'homogénéisation. Dans le même temps, le réservoir de mélange, la tête d'homogénéisation, le racleur et d'autres pièces sont nettoyés et désinfectés. Le processus de nettoyage adopte le système de nettoyage automatique CIP équipé de l'équipement. Après avoir injecté des agents de nettoyage (détergent neutre et eau pure) dans le réservoir, les buses de nettoyage (rotation à 360 degrés) sont démarrées pour nettoyer la paroi interne du réservoir et la surface des composants. Le temps de nettoyage est d'environ 30 minutes, puis les agents de nettoyage résiduels sont rincés à l'eau pure, et enfin, le réservoir est séché à l'air chaud (température 70-80℃) pour éviter la contamination croisée entre les lots.
Selon la formule de la crème pour le visage, les matières premières sont préparées, y compris la phase aqueuse (eau désionisée, glycérine, acide hyaluronique, etc.), la phase huileuse (huile végétale, huile minérale, cire d'abeille, etc.), les additifs en poudre (dioxyde de titane, oxyde de zinc, etc.) et les ingrédients fonctionnels (vitamine E, extrait de plante, etc.). Toutes les matières premières sont filtrées à travers un tamis filtrant de 200 mailles pour éliminer les impuretés, en veillant à ce qu'aucune particule solide n'entre dans le réservoir de mélange pour éviter l'usure de la tête d'homogénéisation et affecter l'effet d'émulsification.
3.2 Alimentation et pré-mélange
Les opérateurs poussent l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé vers la zone d'alimentation, fixent les roues universelles avec des freins pour empêcher l'équipement de bouger pendant le fonctionnement. Ouvrent le couvercle du trou d'alimentation du réservoir de mélange, ajoutent d'abord les matières premières de la phase aqueuse préparées dans le réservoir (environ 120L), puis ajoutent les matières premières de la phase huileuse (environ 80L) dans l'ordre, et ferment hermétiquement le couvercle du trou d'alimentation. Démarrer la pale de mélange de type cadre (vitesse 40 tr/min) pour le pré-mélange, et en même temps démarrer le système de chauffage pour chauffer les matériaux à 65-70℃. La méthode de chauffage adopte le chauffage électrique, avec une puissance de chauffage de 15 kW, et la précision de la fluctuation de la température est de ±1℃. Pendant le processus de pré-mélange, la pale de raclage étroitement attachée à la paroi interne du réservoir racle en continu les matériaux collés à la paroi, évitant la surchauffe locale des matériaux et garantissant que la phase aqueuse et la phase huileuse sont initialement mélangées uniformément.
Dans la phase de pré-mélange, la caractéristique mobile de l'équipement montre des avantages évidents. Comparé à l'équipement fixe, les opérateurs n'ont pas besoin de transporter les matières premières vers la ligne de production fixe, ce qui réduit l'intensité du travail de manutention et évite la perte de matière pendant le transport. Dans le même temps, en cas de pénurie de matières premières pendant le processus d'alimentation, l'équipement peut être rapidement déplacé vers la zone de stockage des matières premières pour une alimentation supplémentaire, ce qui améliore la flexibilité du processus de production.
3.3 Homogénéisation et émulsification à cisaillement élevé
Une fois le pré-mélange terminé et que la température du matériau atteint la valeur définie (65-70℃), démarrer la pompe à vide pour extraire l'air dans le réservoir de mélange et maintenir le degré de vide à ≤ -0,095 MPa. Le système de vide de l'équipement peut rapidement extraire l'air dans le réservoir (le temps de pompage est d'environ 5 minutes), ce qui évite la génération de bulles pendant le processus d'émulsification et empêche le produit de devenir rugueux en raison des résidus de bulles. Après avoir atteint le degré de vide défini, démarrer la tête d'homogénéisation à cisaillement élevé, régler la vitesse à 12000 tr/min, et en même temps régler la vitesse de la pale de mélange à 60 tr/min pour s'assurer que les matériaux sont pleinement impliqués dans le processus d'émulsification.
Pendant le processus d'homogénéisation et d'émulsification, la structure stator-rotor à 4 étages de la tête d'homogénéisation génère une forte force de cisaillement, une force d'impact et des turbulences, qui décomposent les gouttelettes d'huile et les gouttelettes d'eau dans les matériaux en micro-gouttelettes (taille moyenne des particules 0,1-3 μm) et les dispersent uniformément les unes dans les autres pour former un système d'émulsion stable. La pale de raclage racle en continu les matériaux collés à la paroi du réservoir et au fond du réservoir, en veillant à ce qu'il ne reste pas de coins morts dans le processus d'émulsification, et que tous les matériaux soient entièrement émulsionnés. Le temps d'émulsification est fixé à 20 minutes selon les exigences de la formule, et l'équipement maintient automatiquement les paramètres définis pendant le processus d'émulsification, et l'opérateur n'a qu'à observer l'état du matériau à travers la fenêtre d'observation sur le couvercle du réservoir.
Il est à noter que lors du passage d'une formule de produit à une autre, la tête d'homogénéisation de l'équipement peut être facilement démontée pour le nettoyage et le remplacement. Par exemple, lors du passage de la production de crème pour le visage à la production de lotion pour le corps, la tête d'homogénéisation est démontée, nettoyée à l'eau pure, puis réinstallée, ce qui ne prend qu'environ 30 minutes, ce qui est beaucoup plus court que le temps de nettoyage des équipements fixes traditionnels (4-6 heures). Cela améliore considérablement l'efficacité du changement de formule et réduit les temps d'arrêt entre les lots.
3.4 Refroidissement et post-mélange
Une fois l'émulsification terminée, arrêter la tête d'homogénéisation, régler la vitesse de la pale de mélange à 25 tr/min et démarrer le système de refroidissement pour refroidir les matériaux à température ambiante (25-30℃). Le système de refroidissement adopte l'eau de refroidissement en circulation, et la vitesse de refroidissement est de 8℃/h, ce qui peut refroidir rapidement les matériaux sans affecter la stabilité de l'émulsion. Pendant le processus de refroidissement, ajouter les ingrédients fonctionnels (vitamine E et extrait de plante) dans le réservoir par le trou d'alimentation (le trou d'alimentation peut être ouvert sans briser le vide), et continuer à mélanger pendant 10 minutes pour s'assurer que les ingrédients fonctionnels sont uniformément dispersés dans le système d'émulsion.
Pendant le processus de refroidissement, l'état de vide de l'équipement est maintenu tout le temps, ce qui empêche efficacement l'air de pénétrer dans le réservoir et de générer des bulles, et en même temps évite l'oxydation des ingrédients facilement oxydables (tels que la vitamine E) dans les matériaux, assurant l'efficacité et la stabilité du produit. L'opérateur surveille la température et la viscosité du matériau en temps réel via l'écran tactile de l'équipement, et ajuste la vitesse de refroidissement et la vitesse de mélange de manière appropriée en fonction de la situation réelle pour s'assurer que la texture du produit répond aux exigences.
3.5 Décharge et nettoyage post-production
Lorsque la température du matériau descend à température ambiante et que le mélange est terminé, arrêter la pompe à vide et le moteur de mélange, ouvrir le trou de décharge au fond du réservoir et décharger la crème pour le visage finie dans un récipient en acier inoxydable propre. Le trou de décharge de l'équipement est équipé d'une vanne à bille, qui peut contrôler la vitesse de décharge, et la paroi interne du réservoir est lisse, il n'y a donc pas de résidu de matériau pendant la décharge. Une fois la décharge terminée, pousser l'équipement vers la zone de nettoyage, redémarrer le système de nettoyage automatique CIP pour nettoyer le corps du réservoir, la tête d'homogénéisation, le racleur et d'autres pièces, et sécher l'équipement à l'air chaud après le nettoyage. L'ensemble du processus de nettoyage prend environ 30 minutes, et l'équipement peut être mis en production du lot suivant ou du type de produit suivant.
4. Effets de l'application et analyse des données
Depuis l'introduction de l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé, l'entreprise l'utilise pour la production de crème pour le visage, de lotion pour le corps et d'autres produits depuis 12 mois, et l'effet de l'application est évident. Grâce à la comparaison des données de production avant et après l'introduction de l'équipement, les améliorations suivantes ont été obtenues :
4.1 Amélioration de la qualité du produit
Avant l'introduction de l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé, la taille moyenne des particules de l'émulsion dans les produits de crème pour le visage de l'entreprise était de 5 à 8 μm, la texture du produit était légèrement rugueuse et il y avait parfois de petites bulles à la surface. Après avoir utilisé l'équipement, la taille moyenne des particules de l'émulsion a été réduite à 0,1-3 μm, la distribution de la taille des particules était plus uniforme (indice de polydispersité PDI ≤ 0,16), la texture du produit était lisse et délicate, et il n'y avait pas de bulles à la surface. Dans le même temps, la stabilité du produit a été considérablement améliorée. Le produit a été stocké à 45℃ pendant 3 mois sans délamination, décoloration ou odeur, ce qui était meilleur que la norme nationale pour la stabilité cosmétique (stocké à 45℃ pendant 2 mois sans anomalie).
De plus, la dispersion uniforme des ingrédients fonctionnels dans le produit a été améliorée. Prenant la vitamine E comme exemple, avant d'utiliser l'équipement, la teneur en vitamine E dans différentes parties du produit était inégale, avec une différence allant jusqu'à 15 %. Après avoir utilisé l'équipement, la différence de teneur en vitamine E dans différentes parties du produit a été réduite à moins de 3 %, assurant la cohérence de l'efficacité du produit.
4.2 Amélioration de l'efficacité de la production
L'émulsifiant mobile à cisaillement élevé a considérablement amélioré l'efficacité de la production de l'entreprise. Pour la production de crème pour le visage en lot de 200L, le cycle de production des équipements fixes traditionnels est de 8 heures (y compris le pré-mélange, l'émulsification, le refroidissement, la décharge et le nettoyage), tandis que le cycle de production de l'équipement mobile est de 4,5 heures, et l'efficacité de la production est augmentée de 43,75 %. Les principales raisons de l'amélioration de l'efficacité sont les suivantes : premièrement, la tête d'homogénéisation à cisaillement élevé de l'équipement a une efficacité d'émulsification élevée, ce qui réduit le temps d'émulsification de 30 minutes (équipement traditionnel) à 20 minutes ; deuxièmement, le temps de nettoyage de l'équipement est réduit de 4 heures (équipement traditionnel) à 30 minutes, ce qui réduit considérablement les temps d'arrêt entre les lots ; troisièmement, la caractéristique mobile de l'équipement évite le processus de manutention des matières premières qui prend du temps, ce qui permet d'économiser environ 1 heure par lot.
Pour la production d'essai en petits lots (lot de 50L), l'amélioration de l'efficacité est plus évidente. Les équipements fixes traditionnels ne conviennent pas à la production en petits lots, et le cycle de production est aussi long que 6 heures, tandis que l'équipement mobile peut terminer la production de produits en lot de 50L en 2,5 heures, ce qui répond à la demande de l'entreprise pour une production d'essai rapide de nouvelles formules. Au cours des 12 derniers mois, l'entreprise a terminé la production d'essai de 28 nouvelles formules en utilisant cet équipement, ce qui représente le double du nombre de productions d'essai de nouvelles formules au cours de la même période l'année dernière.
4.3 Réduction des coûts de production
L'application de l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé a également aidé l'entreprise à réduire les coûts de production. D'une part, la consommation d'énergie de l'équipement est inférieure à celle des équipements fixes traditionnels. La puissance du moteur de mélange et du moteur d'homogénéisation de l'équipement mobile est respectivement de 7,5 kW et 22 kW, tandis que la puissance des équipements fixes traditionnels est respectivement de 11 kW et 37 kW. Pour la production de crème pour le visage en lot de 200L, la consommation d'énergie de l'équipement mobile est de 8,5 kWh, ce qui est inférieur de 42,6 % à celle des équipements fixes traditionnels (14,8 kWh). D'autre part, le processus de nettoyage de l'équipement ne nécessite pas beaucoup d'agents de nettoyage et d'eau. La consommation d'eau par lot est de 50L, ce qui est inférieur de 60 % à celle des équipements fixes traditionnels (125L). Dans le même temps, la réduction de la perte de matière pendant le processus de production (de 5 % à 1,2 %) réduit également le coût des matières premières de l'entreprise.
De plus, l'équipement mobile n'a pas besoin d'occuper une zone de production fixe, ce qui permet d'économiser le coût de location de l'atelier de l'entreprise. L'entreprise avait initialement besoin de 3 lignes de production fixes pour répondre à la demande de production, et n'a maintenant besoin que d'un équipement mobile et de 2 lignes de production fixes, ce qui permet d'économiser 20 % de la surface de l'atelier.
4.4 Amélioration de la flexibilité de la production
La caractéristique mobile de l'équipement a considérablement amélioré la flexibilité de la production de l'entreprise. L'entreprise peut ajuster l'agencement de la production en fonction de la situation des commandes. Par exemple, lorsque la commande de lotion pour le corps augmente, l'équipement mobile peut être déplacé vers la zone de production de lotion pour le corps pour augmenter la capacité de production de lotion pour le corps ; lorsque la commande de crème pour le visage diminue, l'équipement peut être déplacé vers la zone de production d'essai pour effectuer la production d'essai de nouvelles formules. Ce mode de production flexible permet à l'entreprise de réagir rapidement aux changements du marché et d'améliorer la compétitivité de l'entreprise.
De plus, l'équipement convient à la production de divers produits cosmétiques, notamment les crèmes, les lotions, les émulsions et les sérums. L'entreprise peut basculer entre différents types de produits en ajustant des paramètres tels que la vitesse d'homogénéisation, la vitesse de mélange et la température, sans avoir besoin de remplacer l'équipement, ce qui améliore encore la flexibilité de la production.
5. Maintenance quotidienne et expérience de fonctionnement
Au cours du processus d'application de 12 mois, l'entreprise a accumulé une riche expérience dans la maintenance quotidienne et le fonctionnement de l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé, ce qui assure le fonctionnement stable de l'équipement et la continuité de la production.
5.1 Maintenance quotidienne
La maintenance quotidienne de l'équipement comprend principalement les aspects suivants : Premièrement, après chaque lot de production, nettoyer l'équipement à temps, y compris le réservoir de mélange, la tête d'homogénéisation, le racleur, le trou d'alimentation et le trou de décharge, pour éviter les résidus de matière et la prolifération bactérienne. Deuxièmement, vérifier quotidiennement le niveau d'huile du moteur et du système hydraulique (pour la fonction de levage) et ajouter de l'huile lubrifiante à temps si le niveau d'huile est insuffisant. Troisièmement, vérifier quotidiennement l'usure des pièces d'étanchéité de l'équipement (telles que la bague d'étanchéité du couvercle du réservoir et le trou de décharge) et les remplacer à temps en cas de fuite. Quatrièmement, nettoyer l'écran filtrant du système de vide et du système d'eau de refroidissement chaque semaine pour assurer le bon fonctionnement du système.
5.2 Expérience de fonctionnement
En termes de fonctionnement, l'entreprise résume l'expérience suivante : Premièrement, lors du réglage de la vitesse d'homogénéisation, elle doit être ajustée en fonction de la viscosité du matériau. Pour les matériaux à haute viscosité (tels que la crème pour le visage), la vitesse doit être réglée sur 10000-15000 tr/min ; pour les matériaux à faible viscosité (tels que la lotion pour le corps), la vitesse peut être réglée sur 6000-10000 tr/min. Deuxièmement, pendant le processus d'émulsification, la température du matériau doit être strictement contrôlée. Pour les ingrédients sensibles à la chaleur (tels que la vitamine C et l'extrait de plante), la température d'émulsification doit être réduite à 30-40℃ pour éviter la dégradation des ingrédients actifs. Troisièmement, lors du déplacement de l'équipement, il faut s'assurer que le sol de l'atelier est plat et exempt d'obstacles pour éviter d'endommager l'équipement et les accidents de sécurité. Quatrièmement, les opérateurs doivent être formés régulièrement pour maîtriser les compétences de fonctionnement et les méthodes de maintenance de l'équipement, ce qui peut réduire le taux de défaillance de l'équipement.
6. Résumé et perspectives
L'application de l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé dans la production cosmétique de l'entreprise a obtenu des résultats évidents en améliorant la qualité des produits, en augmentant l'efficacité de la production, en réduisant les coûts de production et en améliorant la flexibilité de la production. La structure compacte de l'équipement, son mouvement flexible, son émulsification efficace et ses caractéristiques de nettoyage facile sont entièrement compatibles avec les besoins de production de l'entreprise en petits et moyens lots, en variétés multiples et en changements fréquents de formules. Au cours des 12 derniers mois, l'équipement a fonctionné de manière stable, avec un taux de défaillance inférieur à 2 %, ce qui a assuré la continuité et la stabilité de la production de l'entreprise.
Pour l'avenir, l'entreprise prévoit d'augmenter l'investissement dans les émulsifiants mobiles à cisaillement élevé, d'introduire 2 ensembles supplémentaires d'équipements de spécifications différentes (50L et 500L) pour répondre aux besoins de production de la production d'essai en petits lots et de la production de masse en grands lots. Dans le même temps, l'entreprise explorera davantage l'application de l'équipement dans d'autres domaines de produits, tels que les produits de soins capillaires et les produits de masques, et optimisera en permanence le processus de production afin d'améliorer la compétitivité de l'entreprise sur le marché cosmétique.
Pour les entreprises cosmétiques ayant des besoins de production similaires (petits et moyens lots, variétés multiples, changements fréquents de formules), l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé est un équipement de production rentable. Son application peut non seulement résoudre les problèmes existant dans les équipements fixes traditionnels, mais aussi fournir un soutien solide à l'innovation de produits et à l'expansion du marché de l'entreprise. Avec le développement continu de l'industrie cosmétique, la demande d'équipements de production flexibles et efficaces continuera d'augmenter, et l'émulsifiant mobile à cisaillement élevé aura une perspective d'application plus large dans le domaine de la production cosmétique.
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