Fallstudie: Kleinstmaßstab-Vakuum-Homogenisierungsemulgator in der Forschung und Entwicklung von Kosmetika und in der Produktion von Kleinserien
In der Kosmetikindustrie benötigen Forschungs- und Entwicklungslabore und Produktionsstätten für kleine Chargen Emulgationsgeräte, die Präzision, Flexibilität,und Konsistenz, die in der Lage ist, kleine Materialmengen zu behandeln und gleichzeitig die Bedingungen der Großproduktion zu replizierenDie traditionellen kleinen Emulgationswerkzeuge, wie Handmischer oder einfache Emulgationsbecher, fehlen häufig an Vakuumfunktionalität, gleichmäßiger Scherkraft und Prozesssteuerung.die zu einer inkonsistenten Probenqualität führtDiese Fallstudie beschreibt objektiv, wie ein kleinstmaliges Vakuum-Homogenisierungs-Emulgationsmittel diese Herausforderungen bewältigt hat.Optimierte F&E-Arbeitsabläufe, und verbesserte Zuverlässigkeit der Produktion von kleinen Chargen für kosmetische Formulierungen.
1Hintergrund und Herausforderungen der Produktion
Die Anlage ist auf kosmetische Forschung und Entwicklung und Kleinserienanpassung spezialisiert und konzentriert sich auf hochwertige Gesichtsserume, Cremes und empfindliche Hautformulierungen.Vor der Einführung des Vakuum-Homogenisierungs-Emulgationsmittels für Kleinschalen, wurde auf herkömmliche Ausrüstung zurückgegriffen: Laborausrüttler für Forschung und Entwicklung und eine einfache Emulgationskanne von 20 L für die Produktion in kleinen Chargen.Es wurden anhaltende Probleme aufgetreten, die die Effizienz des Arbeitsablaufs und die Stabilität der Produktqualität behindert haben.
Erstens war die Reproduzierbarkeit der Forschungs- und Entwicklungsformulierungen schlecht.die zu inkonsistenten Partikelgrößen (8-12 μm) und Restluftblasen in Proben führenDies machte es schwierig, die Wirksamkeit, die Textur und die Stabilität der Formulierung, die für die Skalierung bis zur Großproduktion entscheidend sind, genau zu bewerten.Bei Testversuchen, die im Labor erfolgreich waren, erfüllten die Qualitätsstandards oft nicht, die wiederholte Anpassungen erfordern und die Markteinführungszeit verzögern.
Zweitens war die Produktion in kleinen Chargen von Qualitätsschwankungen betroffen.Das führt zu Variationen der Viskosität von Charge zu Charge, Textur und Emulgationsstabilität. Für Formulierungen für empfindliche Haut, die zerbrechliche Wirkstoffe enthalten (z. B. Hyaluronsäure, natürliche Extrakte),Übermäßige Schere oder Exposition gegenüber Sauerstoff verursacht Zutatenzerfall, was die Wirksamkeit der Produkte verringert und die Materialverschwendung erhöht.
Drittens bestehen die Risiken einer ineffizienten Arbeitsabläufe und einer Kreuzkontamination.Erhöhung des Kontaminationsrisikos und Änderung der ProbeneigenschaftenAußerdem machte die fehlende Aufzeichnung der Prozessparameter es schwierig, die Ursache der Qualitätsprobleme aufzuspüren, und die Reinigung der schwer zugänglichen Bereiche der grundlegenden Emulgationskanne war zeitaufwendig.Beschränkung der Anzahl der täglich verarbeitbaren Formulierungen.
Um diese Probleme zu lösen, suchte die Anlage nach einer kleinen Emulgationslösung, die mit 5 bis 30 L-Chargen umgehen kann, die Vakuumauslüftung, einheitliche Homogenisierung, präzise Prozesssteuerung,und Kompatibilität sowohl mit FuE als auch mit der Produktion in kleinen ChargenNach der Bewertung der technischen Spezifikationen und der Durchführung von Pilotversuchen wurde ein 30 L kleiner Vakuum-Homogenisierungsemulgator für die Integration in den Arbeitsablauf ausgewählt.
2Auswahl der Ausrüstung und technische Anpassung
Der 30L-Vakuum-Homogenisierungsemulgator wurde auf die Anforderungen an Forschung und Entwicklung und kleine Chargen zugeschnitten und wurde so konzipiert, dass er kompakte Größe, Präzision und Skalierbarkeit in Einklang bringt.Die wichtigsten technischen Merkmale und Anpassungen sind folgende::
Kernhomogenisierung und Vakuumsystem
Der Emulgator verfügt über einen zweistufigen Rotor-Stator-Homogenisierungskopf mit einer maximalen Drehgeschwindigkeit von 10.000 U/min und einer Lineargeschwindigkeit von 42 m/s. Die verstellbare Rotor-Stator-Lücke (0,15-0.3 mm) erzeugt starkes Scheren, Kavitation und Turbulenzen, die Öltropfen und feste Partikel effektiv in Mikrodispersionen (2-4 μm) zerlegen.Der 5 kW variable Frequenzantrieb (VFD) ermöglicht eine schrittlose Drehzahlregelung (1Das integrierte Vakuumsystem gewährleistet einen stabilen Vakuumgrad von -0,095 bis -0,098 MPa.Elimination von Luftblasen während der Emulgierung und Minimierung des oxidativen Abbaus empfindlicher Bestandteile.
Kompaktes Design und Materialkonformität
Mit einer Gesamtgröße von ca. 1200×800×1600 mm und einem Nettogewicht von 350 kg passt die Ausrüstung in Laborräume und kleine Produktionsräume.Alle mit dem Erzeugnis in Berührung kommenden Teile sind aus 316L-Edelstahl gefertigt, elektrolytisch bis zu einer Oberflächenrauheit von Ra ≤ 0,4 μm poliert, um Materialhaftung und Kreuzkontamination zu verhindern.Der abnehmbare Homogenisierungskopf und das glatte Innere der Kammer erleichtern die einfache Reinigung, unterstützt häufige Formulierungsänderungen, die für FuE-Arbeitsabläufe entscheidend sind.
Präzisionskontrolle und Datenverfolgbarkeit
Eine mit einem PID-Temperaturregelungssystem versehene Kammer regelt die Verarbeitungstemperaturen zwischen 20-80 °C mit einer Genauigkeit von ±1 °C und unterstützt sowohl elektrische Heizung als auch Wasserkühlung.Dies sorgt für stabile Emulgationsbedingungen und verhindert die thermische Denaturierung hitzeempfindlicher InhaltsstoffeDie Ausrüstung ist mit einem kompakten PLC-Touchscreen-Steuerungssystem ausgestattet, das die Überwachung und Anpassung wichtiger Parameter (Homogenisierungsgeschwindigkeit, Vakuumgrad, Temperatur,Mischzeit)Das System speichert bis zu 30 Formulierungsparameterprofile und erfasst automatisch Chargendaten (Verarbeitungszeit, Temperatur, Geschwindigkeit),Erleichterung der FuE-Dokumentation und Rückverfolgbarkeit der Produktion in kleinen Chargen.
Hilfsmischung und Vielseitigkeit
Um eine gleichmäßige Materialzirkulation in kleinen Chargen zu gewährleisten, ist der Emulgator mit einem schnellen Anker-Rührgerät (50-300 U/min, 0,05 U/min) ausgestattet.75 kW-Motor), der die Kammerwand schraubt, um dunkle Ecken zu beseitigenDiese Kombination aus Hochgeschwindigkeits-Homogenisierung und Niedriggeschwindigkeits-Rührung sorgt für eine gleichbleibende Emulgierung über das gesamte Chargenvolumen.Die Ausrüstung unterstützt sowohl Öl-in-Wasser (O/W) als auch Wasser-in-Öl (W/O) Formulierungen, an verschiedene Kosmetikprodukte angepasst werden können, von leichten Seren (Viskosität 1.000-5.000 mPa) bis zu dicken Cremes (Viskosität 50.000-80.000 mPa).
3. Umsetzung und Prozessoptimierung
Die Anlage integrierte den kleinen Vakuum-Homogenisierungs-Emulgator in einen einheitlichen Arbeitsablauf für Forschung und Entwicklung sowie für die Produktion von Kleinserien.zur Beseitigung der Notwendigkeit einer getrennten Ausrüstung und einer manuellen ProbenübertragungDas technische Team führte mehrfache Tests durch, um die Parameter für drei Kernformulationstypen zu optimieren: hydratisierende Serume (O/W), Anti-Aging-Cremes (W/O),und Lotionen für empfindliche Haut (niedrigreizend).
Die Ergebnisse der Pilotversuche ergaben für die Formulierung spezifische optimale Parameter: Bei Hydratationsseren, die Hyaluronsäure enthalten, eine Homogenisierungsgeschwindigkeit von 8.000 U/min, Vakuumgrad von -0,096 MPa,Verarbeitungstemperatur von 35°C, und eine 15-minütige Emulgationszeit, um eine gleichmäßige Partikelgröße (2-3 μm) und eine bubbelfreie, leichte Textur zu erzielen, die die Hyaluronsäureaktivität bewahrt.eine höhere Homogenisierungsgeschwindigkeit von,000 U/min, verlängerte Mischzeit (25 Minuten) und intermittierende Homogenisierung (3 Minuten eingeschaltet, 1 Minute ausgeschaltet) gewährleisteten eine vollständige Öl-Wasser-Fusion ohne übermäßige Wärmeerzeugung.mit einer Dicke von nicht mehr als 0,05 mm, eine niedrigere Temperatur (30°C), eine reduzierte Schergeschwindigkeit (7.000 U/min) und ein 10-minütiger Vakuum nach der Emulgierung eliminierten Restblasen und minimierten das Reizpotenzial der Zutaten.
Der optimierte einheitliche Workflow ist wie folgt:
- Vorverarbeitungsrohstoffe (Schmelze von Ölphasenbestandteilen, wasserlösliche Hilfsstoffe, Filterextrakte) in Laborbechern, vorgeheizt auf die angegebene Temperatur.
- Vorbearbeitete Materialien in die 30L-Kammer (wirksame Kapazität 25L) in einer vorgegebenen Reihenfolge überführen, um die Luftbindung zu minimieren.
- Aktivieren Sie das Vakuumsystem, um den Zielgrad (-0,095 bis -0,098 MPa) zu erreichen, und starten Sie den Ankerrührer, um Materialien zu zirkulieren.
- Der Homogenisierer wird mit der vorgegebenen Drehzahl aktiviert und entsprechend den Echtzeit-Beobachtungen der Temperatur und Textur angepasst.
- Die Temperatur wird über das verhüllte System stabil gehalten und die Formulierung anschließend auf 25°C abgekühlt, während das sanfte Rühren fortgesetzt wird.
- Verlängern Sie den Vakuumhalt für 5 Minuten, um Restblasen zu entfernen, und beenden Sie dann alle Operationen.
- Für FuE: Sammeln von Proben für Wirksamkeits- und Stabilitätsprüfungen; für die Produktion in kleinen Chargen: Entladen des fertigen Produkts in sterile Behälter zur Verpackung.
Dieser Arbeitsablauf eliminierte manuelle Übertragungsschritte, reduzierte die Risiken einer Kreuzkontamination und gewährleistete, dass FuE-Parameter direkt in der Produktion in kleinen Chargen repliziert werden konnten.Der abnehmbare Homogenisierungskopf und die glatte Kammer reduzierten die Reinigungszeit um 40%, so dass die Anlage täglich bis zu 8 verschiedene Formulierungen verarbeiten kann, was die bisherige Kapazität verdoppelt.
4- Anwendungsergebnisse und Leistungsverbesserungen
Nach der Integration des kleinen Vakuum-Homogenisierungs-Emulgatoren erzielte die Anlage messbare Verbesserungen in Bezug auf die Effizienz der FuE, die Qualität der Produktion in kleinen Chargen, dieund Workflow-Nachhaltigkeit mit konsistenten Ergebnissen für alle Formulierungsarten:
Effizienz und Skalierbarkeit von FuE
Die Reproduzierbarkeit der Formulierung wurde drastisch verbessert: Die Partikelgröße wurde auf 2-4 μm (im Vergleich zu 8-12 μm zuvor) stabilisiert, wobei die wichtigsten Parameter (Viskosität, pH,Partikelgröße) von ±7% auf ±2% reduziertDies ermöglichte eine genaue Bewertung der Wirksamkeit und Stabilität der Formulierung und reduzierte die Anzahl der erforderlichen iterativen Anpassungen, bevor sie vergrößert wurden.Die Fähigkeit der Ausrüstung, Produktionsbedingungen im großen Maßstab (Vakuum) nachzubilden, Scherkraft, Temperaturregelung) erhöhte die Erfolgsquote von Pilotversuchen von 50% auf 85% und verkürzte die Markteinführungszeit für neue Produkte um 30%.
Qualität der Produktion in kleinen Stückzahlen
Die Produktqualität der kleinen Chargen verbesserte sich erheblich: Alle Chargen erfüllten Textur- und Stabilitätsstandards, ohne nachweisbare Rückstände von Blasen oder Körnchen.Die Emulgationsstabilität wurde verbessert. Die Produkte wurden drei Monate lang beschleunigt auf Stabilitätstests (40°C±2°C) untersucht., relative Luftfeuchtigkeit 75%±5%) ohne Phasentrennung.mit Rezepturen für empfindliche Haut, die eine Reduzierung der von den Kunden gemeldeten Reizungen um 20% aufweisenDas automatisierte Datenerfassungssystem vereinfachte die Qualitätsverfolgbarkeit und ermöglichte eine schnelle Identifizierung und Behebung seltener Qualitätsunterschiede.
Effizienz der Arbeitsabläufe und Kostensenkung
Die Effizienz des Arbeitsablaufs wurde optimiert: Durch die einheitliche F&E- und Kleinserien-Ausrüstung wurde die manuelle Probenübertragung eliminiert, wodurch die Arbeitszeit um 35% reduziert wurde.und die Fähigkeit zur Speicherung von Formulierungsprofilen reduzierte die Aufstellungszeit für wiederholte Chargen um 50%Die präzise Prozesskontrolle minimierte den Abbau von Zutaten und Losfehler, und das geringe Kammervolumen reduzierte die übrigen Materialien in FuE-Versuchen.Die Wartungskosten waren aufgrund des modularen Designs der Geräte und der verschleißfesten Komponenten gering, wobei die jährlichen Wartungsbedürfnisse auf routinemäßige Reinigung und gelegentlichen Versiegelungswechsel beschränkt sind.
Einhaltung und Flexibilität
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