Kasus Aplikasi Emulsifier Laboratorium High-Shear
Dalam bidang R&D kimia halus, farmasi, dan kosmetik, pengolahan emulsifikasi skala laboratorium adalah hubungan inti yang secara langsung mempengaruhi pengembangan formula, verifikasi kinerja produk,dan produksi uji coba batch kecil.Sebuah laboratorium yang terlibat dalam penelitian dan pengembangan dan produksi uji coba seri kecil produk semi padat multi-komponen pernah menghadapi tantangan yang terus menerus dalam proses emulsifikasi, yang membatasi efisiensi iterasi rumus dan keandalan hasil produksi uji coba.laboratorium berhasil menyelesaikan masalah ini, mencapai peningkatan signifikan dalam efisiensi R&D, stabilitas produk, dan konsistensi batch.
Latar Belakang dan Tantangan yang Ada
Laboratorium ini terutama melakukan R&D produk semi-padat seperti emulsi farmasi, lotion kosmetik, dan aditif kimia halus,serta tugas uji produksi batch kecil (5-50 liter per batch)Sebelum peningkatan peralatan, laboratorium mengandalkan pengaduk magnet skala kecil tradisional dan homogenisasi dasar untuk menyelesaikan proses emulsifikasi.Karena keterbatasan kinerja peralatan dan desain struktural, masalah-masalah yang menonjol berikut ini ada dalam pekerjaan sehari-hari:
- Kekuatan geser yang tidak cukup dan emulsifikasi yang tidak merata: Pengaduk magnetik tradisional hanya dapat mencapai pencampuran dasar, dan kekuatan geser yang diberikan oleh homogenizer dasar terbatas (tingkat geser maksimum ≤ 20.000 s−1).Untuk bahan yang mengandung partikel padat halus (ukuran partikel awal 3-10 μm) dan fase minyak-air yang tidak bercampur, sulit untuk memecah aglomerat dan mencapai emulsifikasi lengkap.dan ukuran partikel rata-rata dari fase terdispersi hanya dikontrol pada 4-8 μm, yang gagal memenuhi persyaratan kinerja formula produk kelas atas.
- Reproduksi batch sampel yang buruk: Peralatan tradisional tidak memiliki kontrol yang tepat atas parameter kunci seperti kecepatan geser, waktu emulsifikasi, dan suhu.Parameter operasi sebagian besar disesuaikan secara manual berdasarkan pengalaman, menyebabkan perbedaan besar dalam pengaturan parameter antara operator yang berbeda dan bahkan antara batch dari rumus yang sama.Koefisien variasi (CV) dari indikator utama (distribusi ukuran partikel), viskositas, stabilitas) antara batch mencapai 15-20%, yang sangat mempengaruhi keandalan data R&D dan konsistensi produk produksi uji coba.
- Siklus pengembangan formula yang panjang: Karena efek emulsifikasi yang tidak memuaskan, laboratorium harus berulang kali menyesuaikan rasio formula dan parameter pengolahan untuk setiap proyek R&D produk baru.dibutuhkan 45-60 hari untuk menyelesaikan formula dari pengembangan awal untuk verifikasi stabilSelain itu, stabilitas emulsifikasi sampel yang buruk menyebabkan percobaan sering diulang, memperpanjang siklus R&D dan meningkatkan konsumsi bahan baku.
- Risiko kontaminasi sampel dan pembersihan yang sulit: Homogenizer tradisional memiliki struktur yang kompleks dengan beberapa sudut mati di rongga pencampuran dan bagian penghubung.dan bahan residu dari sampel sebelumnya kemungkinan akan mencemari eksperimen berikutnyaHal ini sangat penting untuk penelitian dan pengembangan farmasi dan kosmetik, karena bahkan jejak kontaminasi dapat menyebabkan kegagalan seluruh percobaan dan mempengaruhi evaluasi keamanan produk.
- Tidak dapat memenuhi kebutuhan produksi skala percontohan: Parameter kinerja peralatan laboratorium tradisional sangat berbeda dari emulsifier shear tinggi skala industri.Parameter proses yang diverifikasi di laboratorium tidak dapat secara langsung ditingkatkan ke produksi skala percontohan, yang membutuhkan penyesuaian dan verifikasi berulang selama proses skala-up.Hal ini tidak hanya meningkatkan beban kerja personel R & D tetapi juga menyebabkan inkonsistensi antara hasil laboratorium dan efek produksi industri.
Pemilihan Peralatan dan Konfigurasi Inti
Untuk memecahkan masalah di atas, laboratorium memilih emulsifier laboratorium dengan pemotongan tinggi dengan kontrol parameter yang tepat, struktur kompak, dan skalabilitas yang baik,yang dirancang khusus untuk R&D seri kecil dan produksi uji cobaKonfigurasi inti dan karakteristik teknis peralatan adalah sebagai berikut:
1Sistem pengiris inti
Emulsifier mengadopsi struktur stator-rotor tiga tahap dengan desain yang dapat dilepas, dan celah geser dapat disesuaikan antara 0,05-0,15 mm.Kecepatan rotor dikendalikan oleh konversi frekuensi dan dapat diatur tanpa langkah dalam kisaran 3,000-20,000 rpm, menghasilkan kecepatan geser maksimum 85,000 s-1. Struktur ini dapat secara efektif memecah aglomerat halus dan mewujudkan fusi cepat dari fase tidak bercampur,memastikan kehalusan dan keseragaman fase terdispersiStator dan rotor terbuat dari stainless steel 316L dengan perawatan polishing cermin (kerapuhan permukaan Ra ≤ 0,4 μm), yang tahan korosi dan mudah dibersihkan.
2. Sistem Kontrol Parameter yang Tepat
Peralatan ini dilengkapi dengan sistem kontrol PLC cerdas dan antarmuka operasi layar sentuh, yang dapat mewujudkan kontrol yang tepat dari parameter kunci seperti kecepatan geser (keakuratan ± 10 rpm),waktu emulsifikasi (keakuratan ± 1 detik)Sistem ini mendukung fungsi penyimpanan dan penarikan parameter, yang dapat menyimpan hingga 100 set parameter proses formula.Hal ini memastikan bahwa pengaturan parameter yang sama digunakan untuk setiap batch percobaanSelain itu, sistem dapat secara otomatis merekam kurva parameter selama proses emulsifikasi, memberikan dukungan data yang dapat diandalkan untuk analisis R&D.
3. Fungsi Kontrol dan Perlindungan Suhu
Ruang pencampuran dilengkapi dengan struktur kontrol suhu yang dilapisi, yang dapat mewujudkan pemanasan atau pendinginan bahan melalui sirkulasi air atau minyak.Kisaran kontrol suhu adalah 0-100°C, yang dapat memenuhi persyaratan suhu dari berbagai bahan (terutama bahan sensitif terhadap panas seperti protein dan ekstrak tanaman).Kecepatan berlebihan, dan fungsi perlindungan overload. Ketika parameter melebihi kisaran yang ditetapkan, peralatan akan secara otomatis dimatikan untuk menghindari kerusakan peralatan dan kerusakan sampel.
4Struktur yang kompak dan operasi yang mudah
Volume keseluruhan peralatan kompak (panjang × lebar × tinggi = 600 mm × 450 mm × 800 mm), yang cocok untuk ruang laboratorium yang terbatas.Kepala pencampuran mengadopsi struktur angkat, yang dapat dengan mudah diatur ke atas dan ke bawah untuk menyesuaikan diri dengan ukuran beaker dan tangki yang berbeda (500 mL-50 L).dan penggantian, dan seluruh proses pembersihan dapat selesai dalam waktu 10 menit, secara efektif mengurangi risiko kontaminasi sampel.
5. Skalabilitas untuk Scale-Up Produksi
Peralatan ini mengadopsi desain modular, dan parameter teknis utamanya (tingkat pemotongan, rentang kecepatan, efisiensi emulsifikasi) konsisten dengan emulsifier skala industri dengan pemotongan tinggi.Parameter proses yang diverifikasi di laboratorium dapat secara langsung ditingkatkan ke produksi skala percontohan dan skala industri dengan menyesuaikan rasio volume, menghindari verifikasi parameter berulang dan meningkatkan efisiensi konversi teknologi.
Proses Implementasi dan Optimasi Parameter
Setelah peralatan digunakan, laboratorium melakukan operasi uji coba selama 3 bulan dan optimalisasi parameter,dan menyesuaikan proses emulsifikasi asli sesuai dengan karakteristik kinerja emulsifier laboratorium pemotongan tinggiProses pelaksanaan khusus adalah sebagai berikut:
1Percobaan awal dan kalibrasi parameter
Pertama, laboratorium memilih 5 rumus khas (termasuk emulsi farmasi, lotion kosmetik, dan aditif kimia) untuk eksperimen awal.000 rpm), waktu emulsifikasi (5-30 menit), dan suhu (25-70°C), kombinasi parameter optimal untuk setiap rumus ditentukan.untuk lotion kosmetik yang mengandung bubuk padat dan fase minyak, parameter optimal ditentukan sebagai: kecepatan geser 12.000 rpm, waktu emulsifikasi 15 menit, dan suhu 45°C. Di bawah parameter ini,ukuran partikel rata-rata sampel dikurangi menjadi 1.2 μm, dan stabilitas emulsifikasi meningkat secara signifikan.
2. Verifikasi Reproduksi Batch
Setelah menentukan parameter optimal untuk setiap rumus, laboratorium melakukan percobaan verifikasi reproduksi batch.10 batch sampel disiapkan secara terus menerus menggunakan pengaturan parameter yang disimpanHasilnya menunjukkan bahwa koefisien variasi (CV) dari indikator kunci seperti distribusi ukuran partikel, viskositas, dan stabilitas antara batch dikurangi dari 15-20% menjadi 2-5%,yang sepenuhnya memenuhi persyaratan R&D dan produksi uji coba.
3. Optimalisasi Proses dan Pengecoran Siklus R&D
Berdasarkan keunggulan kinerja emulsifier laboratorium pemotongan tinggi, laboratorium mengoptimalkan proses R&D asli.Proses tradisional "pencampuran langkah demi langkah + homogenisasi berulang" disesuaikan dengan "emulsifikasi satu langkah dengan pemotongan tinggi"Pada saat yang sama, karena efek emulsifikasi yang lebih baik dan reproduksibilitas, jumlah eksperimen pengolahan ulang berkurang sebesar 70%.Untuk proyek R&D produk baru, siklus perkembangan rata-rata diperpendek dari 45-60 hari menjadi 20-30 hari.
4. Verifikasi Produksi Scale-Up
Laboratorium memilih dua formula matang (emulsi farmasi dan krim kosmetik) untuk verifikasi produksi skala besar.Parameter yang diverifikasi di laboratorium (diatur sesuai dengan rasio volume) secara langsung diterapkan pada jalur produksi skala percontohan (500 L)Hasilnya menunjukkan bahwa indikator utama produk skala percontohan konsisten dengan sampel laboratorium dan tingkat kualifikasi produk skala percontohan mencapai 98%,yang 30% lebih tinggi daripada sebelum upgrade peralatanHal ini secara efektif memecahkan masalah parameter yang tidak konsisten antara produksi laboratorium dan industri.
Efek Aplikasi dan Analisis Data
Setelah 6 bulan operasi formal, emulsifier laboratorium pemotongan tinggi telah mencapai hasil yang luar biasa dalam meningkatkan efisiensi R&D, kualitas produk, dan skalabilitas proses.Perbandingan data spesifik sebelum dan setelah upgrade peralatan adalah sebagai berikut::
1. Peningkatan signifikan dalam kualitas emulsifikasi
Ukuran partikel rata-rata fase terdispersi dalam sampel dikurangi dari 4-8 μm menjadi 0,8-2,0 μm, dan indeks polydispersity (PDI) dikontrol di bawah 0.18Stabilitas emulsifikasi sampel sangat ditingkatkan, dan tingkat stratifikasi setelah 30 hari penyimpanan berkurang dari 10-12% menjadi kurang dari 1%.fungsi kontrol suhu yang tepat dari peralatan menghindari hilangnya bahan aktif, dan tingkat retensi zat aktif meningkat sebesar 25-30% dibandingkan dengan peralatan tradisional.
2. Peningkatan yang luar biasa dalam reproduksi batch
Koefisien variasi (CV) dari indikator kunci antara batch dikurangi dari 15-20% menjadi 2-5%, yang memastikan keandalan data R&D dan konsistensi produk produksi uji coba. This not only reduced the consumption of raw materials caused by poor reproducibility (raw material consumption was reduced by 35% on average) but also laid a solid foundation for the subsequent safety evaluation and market promotion of products.
3. Pendekatan signifikan dari Siklus R & D
Siklus R&D rata-rata untuk produk baru dipersingkat dari 45-60 hari menjadi 20-30 hari dan efisiensi iterasi rumus meningkat sebesar 40-50%.Siklus R&D diperpendek dari 20-30 hari menjadi 7-15 hari, yang memungkinkan laboratorium untuk lebih cepat menanggapi permintaan pasar dan meningkatkan daya saing hasil R&D.
4Mengurangi Risiko Kontaminasi Sampel dan Beban Kerja Pembersihan
Desain peralatan yang dapat dilepas dan bebas sudut mati, dikombinasikan dengan permukaan polishing cermin, secara efektif mengurangi risiko kontaminasi sampel.Jumlah kegagalan eksperimen yang disebabkan oleh kontaminasi sampel berkurang dari 3-4 kali per bulan menjadi 0-1 kali per kuartalPada saat yang sama, waktu pembersihan peralatan dikurangi sebesar 60% dibandingkan dengan peralatan tradisional, yang mengurangi beban kerja personil laboratorium dan meningkatkan efisiensi kerja.
5Meningkatkan Efisiensi Konversi Teknologi
Skala peralatan memungkinkan parameter proses yang diverifikasi di laboratorium secara langsung ditingkatkan ke produksi skala percontohan dan skala industri.Waktu yang dibutuhkan untuk konversi teknologi dikurangi dari 2-3 bulan menjadi 2-4 minggu, dan tingkat keberhasilan konversi teknologi meningkat dari 65% menjadi 98%. Hal ini tidak hanya menghemat biaya konversi teknologi tetapi juga mempercepat kecepatan pemasaran produk.
Pengalaman Kunci dan Catatan Operasi
Saat menggunakan emulsifier laboratorium dengan pemotongan tinggi,laboratorium meringkas pengalaman utama dan catatan operasi berikut untuk memastikan operasi yang stabil dan memberikan permainan penuh untuk kinerjanya:
- Pengaturan parameter harus disesuaikan sesuai dengan karakteristik bahan.Kecepatan geser harus ditingkatkan secara bertahap (dari kecepatan rendah ke kecepatan tinggi) untuk menghindari percikan bahan dan overload peralatanUntuk bahan yang sensitif terhadap panas, suhu harus dikontrol secara ketat, dan waktu emulsifikasi harus dipersingkat dengan tepat jika perlu.
- Stator dan rotor harus dibersihkan dan diperiksa secara teratur.Setelah setiap percobaan, stator dan rotor harus dibongkar dan dibersihkan secara menyeluruh untuk menghindari kontaminasi material residual.Kondisi keausan stator dan rotor harus diperiksa setiap 300 jam operasi, dan harus diganti tepat waktu ketika jumlah keausan melebihi 0,1 mm untuk memastikan efek emulsifikasi.
- Ketika melakukan percobaan skala-up, penyesuaian parameter harus didasarkan pada rasio volume dan karakteristik material,dan uji coba batch kecil harus dilakukan terlebih dahulu untuk memverifikasi kelayakan parameter sebelum produksi skala besar.
- Peralatan harus dikalibrasi secara teratur.dan parameter lain dari peralatan harus dikalibrasi setiap 6 bulan untuk memastikan akurasi kontrol parameter dan keandalan data eksperimen.
- Operator harus dilatih secara profesional.Operator harus akrab dengan struktur dan aturan operasi peralatan untuk menghindari kesalahan operasi yang disebabkan oleh operasi yang tidak benar.
Ringkasan
Aplikasi emulsifier laboratorium pemotongan tinggi secara mendasar telah memecahkan masalah lama efek emulsifikasi yang buruk, reproduksi batch yang rendah, siklus R&D yang panjang,dan konversi teknologi yang sulit di laboratoriumDengan kekuatan geser yang tinggi, kontrol parameter yang tepat, pembersihan yang mudah, dan skalabilitas yang baik, peralatan telah secara signifikan meningkatkan efisiensi R & D dan produksi uji coba,Memastikan kualitas dan stabilitas sampel, dan mengurangi konsumsi bahan baku dan biaya percobaan.
Untuk laboratorium yang terlibat dalam R&D dan produksi uji seri kecil dari produk semi padat multi-komponen, emulsifier laboratorium shear tinggi adalah peralatan inti yang sangat diperlukan.Ini tidak hanya memberikan dukungan teknis yang dapat diandalkan untuk pengembangan formula dan verifikasi kinerja tetapi juga menjembatani kesenjangan antara R & D laboratorium dan produksi industri, mendorong konversi yang efisien dari prestasi ilmiah dan teknologi. Dengan operasi standar dan pemeliharaan yang teratur, peralatan dapat mempertahankan kinerja stabil jangka panjang,memberikan dukungan berkelanjutan untuk pengembangan kerja laboratorium yang berkelanjutan.
Pesan Anda harus antara 20-3.000 karakter!