Estudo de Caso: Aplicação do Emulsionador Móvel de Alto Cisalhamento na Produção de Cremes Cosméticos
No campo da produção de cosméticos, a consistência da textura do produto, a estabilidade do sistema de emulsão e a eficiência do processo de produção são fatores-chave que afetam diretamente a qualidade do produto e a aceitação do mercado. Para empresas envolvidas na produção de cosméticos em lotes médios e pequenos, especialmente aquelas que envolvem múltiplas categorias de produtos e ajustes frequentes de fórmulas, a flexibilidade e a adaptabilidade dos equipamentos de produção tornaram-se indicadores importantes para a seleção de linhas de produção. Este estudo de caso se concentra na aplicação prática de um emulsionador móvel de alto cisalhamento na produção de creme facial e loção corporal, detalhando o histórico de aplicação do equipamento, o processo de operação, os efeitos de resolução de problemas e o valor da aplicação a longo prazo, com base em práticas de produção reais.
1. Histórico da Aplicação
A empresa envolvida neste caso atua principalmente na pesquisa e produção de produtos para cuidados com a pele, abrangendo uma variedade de tipos de produtos, como cremes faciais, loções corporais, emulsões e séruns. Antes de introduzir o emulsionador móvel de alto cisalhamento, a empresa enfrentava vários problemas proeminentes no processo de produção: Primeiro, o equipamento de emulsificação fixo tradicional tinha um grande volume e era difícil de mover, o que impossibilitava a alocação flexível das áreas de produção de acordo com o plano de produção. Cada linha de produção só podia ser fixada para um determinado tipo de produto, resultando em baixa taxa de utilização do espaço de produção. Segundo, ao alternar entre diferentes fórmulas de produtos, a limpeza e desinfecção do equipamento fixo levavam muito tempo (geralmente 4-6 horas), e havia risco de contaminação cruzada entre diferentes lotes e diferentes tipos de produtos, o que afetava a estabilidade da qualidade do produto. Terceiro, para a produção experimental em pequenos lotes de novas fórmulas (volume do lote 50-200L), o equipamento fixo tinha alto consumo de energia e baixa eficiência de produção, e o pequeno lote de materiais era difícil de ser totalmente emulsificado e misturado, resultando em problemas como textura áspera do produto e dispersão desigual de ingredientes funcionais.
Para resolver os problemas acima, a empresa realizou uma pesquisa aprofundada sobre equipamentos de produção e, finalmente, selecionou um emulsionador móvel de alto cisalhamento com um volume de trabalho de 100L-500L. A principal consideração foi que o equipamento possui as características de movimento flexível, estrutura compacta, emulsificação eficiente e fácil limpeza, que pode se adaptar às necessidades de produção de lotes pequenos e médios, múltiplas variedades e troca frequente de fórmulas. Ao mesmo tempo, o equipamento atende aos padrões GMP e FDA para produção de cosméticos, garantindo a segurança e higiene do processo de produção.
2. Visão Geral e Instalação do Equipamento
O emulsionador móvel de alto cisalhamento adotado neste caso integra funções como mistura, homogeneização de alto cisalhamento, emulsificação, aquecimento, resfriamento e desgaseificação a vácuo. A estrutura geral do equipamento é compacta, com 1,8 metros de comprimento, 1,2 metros de largura e 2,5 metros de altura. A parte inferior é equipada com quatro rodas universais de alta carga (com função de freio), que podem ser facilmente movidas no chão plano da oficina, e a resistência ao movimento é pequena, o que pode ser operado por uma única pessoa. O tanque de mistura, a cabeça de homogeneização, o raspador e outras partes do equipamento em contato com os materiais são feitos de aço inoxidável 316L, com uma superfície interna polida espelhada (rugosidade da superfície Ra ≤ 0,4 μm), que é resistente à corrosão e fácil de limpar. A cabeça de homogeneização de alto cisalhamento adota uma estrutura estator-rotor de 4 estágios, com uma folga de cisalhamento de 0,03-0,1 mm e uma faixa de regulação de velocidade contínua de 3000-15000 rpm, que pode gerar uma forte força de cisalhamento para quebrar as gotículas de material em micropartículas.
A instalação do equipamento é simples e conveniente, sem a necessidade de construção de fundação profissional. Ele só precisa colocar o equipamento em uma área plana e seca da oficina, conectar a fonte de alimentação (380V, 50Hz), o tubo de água de resfriamento e o tubo de ar comprimido (para descarga auxiliar) e concluir a depuração após verificar a estanqueidade de cada tubo e o funcionamento do motor. O sistema de controle do equipamento adota uma tela sensível ao toque PLC, com uma interface bilíngue chinês-inglês, que é fácil de operar. Os operadores podem dominar os métodos básicos de operação após treinamento simples (geralmente 1-2 dias), incluindo configuração de parâmetros, operação de ligar e desligar e manutenção diária.
Em comparação com o equipamento de emulsificação fixo tradicional, este equipamento móvel não precisa ocupar uma área de produção fixa. Ele pode ser movido para a área de alimentação correspondente, área de mistura ou área de descarga de acordo com o processo de produção. Por exemplo, ao produzir creme facial, ele pode ser movido para a área de armazenamento de matéria-prima para alimentação, depois movido para a área de temperatura constante para emulsificação e, finalmente, movido para a área de embalagem do produto acabado para descarga, o que otimiza muito o layout da oficina de produção e melhora a taxa de utilização do espaço de produção.
3. Processo de Aplicação Prática (Tomando a Produção de Creme Facial como Exemplo)
A empresa utiliza principalmente este emulsionador móvel de alto cisalhamento para produzir creme facial (tipo óleo em água, viscosidade 10000-30000 mPa·s) e loção corporal (tipo óleo em água, viscosidade 5000-15000 mPa·s). O seguinte toma a produção de creme facial (volume do lote 200L) como exemplo para detalhar o processo de aplicação e os pontos de operação do equipamento.
3.1 Preparação Pré-Produção
Antes de iniciar a produção, os operadores primeiro verificam a integridade do equipamento, incluindo o funcionamento do motor, a estanqueidade do sistema de vácuo, a suavidade do tubo de água de resfriamento e o desgaste da cabeça de homogeneização. Ao mesmo tempo, o tanque de mistura, a cabeça de homogeneização, o raspador e outras partes são limpos e desinfetados. O processo de limpeza adota o sistema de limpeza automática CIP equipado com o equipamento. Após injetar agentes de limpeza (detergente neutro e água pura) no tanque, os bicos de limpeza (rotação de 360 graus) são iniciados para limpar a parede interna do tanque e a superfície dos componentes. O tempo de limpeza é de cerca de 30 minutos e, em seguida, os agentes de limpeza residuais são enxaguados com água pura e, finalmente, o tanque é seco com ar quente (temperatura 70-80℃) para evitar a contaminação cruzada entre os lotes.
De acordo com a fórmula do creme facial, as matérias-primas são preparadas, incluindo a fase aquosa (água deionizada, glicerina, ácido hialurônico, etc.), fase oleosa (óleo vegetal, óleo mineral, cera de abelha, etc.), aditivos em pó (dióxido de titânio, óxido de zinco, etc.) e ingredientes funcionais (vitamina E, extrato de planta, etc.). Todas as matérias-primas são filtradas através de uma tela de filtro de 200 malhas para remover impurezas, garantindo que nenhuma partícula sólida entre no tanque de mistura para evitar o desgaste da cabeça de homogeneização e afetar o efeito de emulsificação.
3.2 Alimentação e Pré-Mistura
Os operadores empurram o emulsionador móvel de alto cisalhamento para a área de alimentação, fixam as rodas universais com freios para evitar que o equipamento se mova durante a operação. Abra a tampa da porta de alimentação do tanque de mistura, primeiro adicione as matérias-primas da fase aquosa preparadas no tanque (cerca de 120L), depois adicione as matérias-primas da fase oleosa (cerca de 80L) em sequência e feche a tampa da porta de alimentação com firmeza. Inicie a pá de mistura do tipo estrutura (velocidade 40 rpm) para pré-mistura e, ao mesmo tempo, inicie o sistema de aquecimento para aquecer os materiais a 65-70℃. O método de aquecimento adota aquecimento elétrico, com uma potência de aquecimento de 15 kW, e a precisão da flutuação da temperatura é ±1℃. Durante o processo de pré-mistura, a pá raspadora fixada na parede interna do tanque raspa continuamente os materiais aderidos à parede, evitando o superaquecimento local dos materiais e garantindo que a fase aquosa e a fase oleosa sejam inicialmente misturadas uniformemente.
Na fase de pré-mistura, a característica móvel do equipamento mostra vantagens óbvias. Em comparação com o equipamento fixo, os operadores não precisam transportar matérias-primas para a linha de produção fixa, o que reduz a intensidade do trabalho de manuseio e evita a perda de material durante o transporte. Ao mesmo tempo, se houver falta de matérias-primas durante o processo de alimentação, o equipamento pode ser rapidamente movido para a área de armazenamento de matéria-prima para alimentação suplementar, o que melhora a flexibilidade do processo de produção.
3.3 Homogeneização e Emulsificação de Alto Cisalhamento
Após a pré-mistura ser concluída e a temperatura do material atingir o valor definido (65-70℃), inicie a bomba de vácuo para extrair o ar no tanque de mistura e manter o grau de vácuo em ≤ -0,095 MPa. O sistema de vácuo do equipamento pode extrair rapidamente o ar no tanque (o tempo de bombeamento é de cerca de 5 minutos), o que evita a geração de bolhas durante o processo de emulsificação e impede que o produto fique áspero devido a resíduos de bolhas. Após atingir o grau de vácuo definido, inicie a cabeça de homogeneização de alto cisalhamento, ajuste a velocidade para 12000 rpm e, ao mesmo tempo, ajuste a velocidade da pá de mistura para 60 rpm para garantir que os materiais estejam totalmente envolvidos no processo de emulsificação.
Durante o processo de homogeneização e emulsificação, a estrutura estator-rotor de 4 estágios da cabeça de homogeneização gera forte força de cisalhamento, força de impacto e turbulência, que quebra as gotículas de óleo e gotículas de água nos materiais em microgotículas (tamanho médio de partícula 0,1-3 μm) e as dispersa uniformemente umas nas outras para formar um sistema de emulsão estável. A pá raspadora raspa continuamente os materiais aderidos à parede do tanque e ao fundo do tanque, garantindo que não fiquem cantos mortos no processo de emulsificação e que todos os materiais sejam totalmente emulsificados. O tempo de emulsificação é definido em 20 minutos de acordo com os requisitos da fórmula, e o equipamento mantém automaticamente os parâmetros definidos durante o processo de emulsificação, e o operador só precisa observar o estado do material através da janela de observação na tampa do tanque.
Vale a pena notar que, ao alternar entre diferentes fórmulas de produtos, a cabeça de homogeneização do equipamento pode ser facilmente desmontada para limpeza e substituição. Por exemplo, ao mudar da produção de creme facial para a produção de loção corporal, a cabeça de homogeneização é desmontada, limpa com água pura e, em seguida, reinstalada, o que leva apenas cerca de 30 minutos, o que é muito menor do que o tempo de limpeza do equipamento fixo tradicional (4-6 horas). Isso melhora muito a eficiência da troca de fórmulas e reduz o tempo de inatividade entre os lotes.
3.4 Resfriamento e Pós-Mistura
Após a emulsificação ser concluída, pare a cabeça de homogeneização, ajuste a velocidade da pá de mistura para 25 rpm e inicie o sistema de resfriamento para resfriar os materiais à temperatura ambiente (25-30℃). O sistema de resfriamento adota água de resfriamento circulante, e a taxa de resfriamento é de 8℃/h, que pode resfriar rapidamente os materiais sem afetar a estabilidade da emulsão. Durante o processo de resfriamento, adicione os ingredientes funcionais (vitamina E e extrato de planta) no tanque através da porta de alimentação (a porta de alimentação pode ser aberta sem quebrar o vácuo) e continue misturando por 10 minutos para garantir que os ingredientes funcionais sejam dispersos uniformemente no sistema de emulsão.
Durante o processo de resfriamento, o estado de vácuo do equipamento é mantido o tempo todo, o que impede efetivamente a entrada de ar no tanque e a geração de bolhas e, ao mesmo tempo, evita a oxidação de ingredientes facilmente oxidados (como vitamina E) nos materiais, garantindo a eficácia e estabilidade do produto. O operador monitora a temperatura e a viscosidade do material em tempo real através da tela sensível ao toque do equipamento e ajusta a velocidade de resfriamento e a velocidade de mistura adequadamente de acordo com a situação real para garantir que a textura do produto atenda aos requisitos.
3.5 Descarga e Limpeza Pós-Produção
Quando a temperatura do material cai para a temperatura ambiente e a mistura é concluída, pare a bomba de vácuo e o motor de mistura, abra a porta de descarga na parte inferior do tanque e descarregue o creme facial acabado em um recipiente de aço inoxidável limpo. A porta de descarga do equipamento é equipada com uma válvula de esfera, que pode controlar a velocidade de descarga, e a parede interna do tanque é lisa, portanto, não há resíduo de material durante a descarga. Após a conclusão da descarga, empurre o equipamento para a área de limpeza, inicie o sistema de limpeza automática CIP novamente para limpar o corpo do tanque, a cabeça de homogeneização, o raspador e outras partes e seque o equipamento com ar quente após a limpeza. Todo o processo de limpeza leva cerca de 30 minutos, e o equipamento pode ser colocado na produção do próximo lote ou do próximo tipo de produto.
4. Efeitos da Aplicação e Análise de Dados
Desde a introdução do emulsionador móvel de alto cisalhamento, a empresa o utiliza para a produção de creme facial, loção corporal e outros produtos há 12 meses, e o efeito da aplicação é óbvio. Através da comparação dos dados de produção antes e depois da introdução do equipamento, as seguintes melhorias foram alcançadas:
4.1 Melhoria da Qualidade do Produto
Antes da introdução do emulsionador móvel de alto cisalhamento, o tamanho médio das partículas da emulsão nos produtos de creme facial da empresa era de 5-8 μm, a textura do produto era ligeiramente áspera e havia pequenas bolhas ocasionais na superfície. Após o uso do equipamento, o tamanho médio das partículas da emulsão foi reduzido para 0,1-3 μm, a distribuição do tamanho das partículas foi mais uniforme (índice de polidispersão PDI ≤ 0,16), a textura do produto era lisa e delicada e não havia bolhas na superfície. Ao mesmo tempo, a estabilidade do produto foi significativamente melhorada. O produto foi armazenado a 45℃ por 3 meses sem delaminação, descoloração ou odor, o que foi melhor do que o padrão nacional para estabilidade cosmética (armazenado a 45℃ por 2 meses sem anormalidade).
Além disso, a dispersão uniforme de ingredientes funcionais no produto foi melhorada. Tomando a vitamina E como exemplo, antes de usar o equipamento, o teor de vitamina E em diferentes partes do produto era desigual, com uma diferença de até 15%. Após o uso do equipamento, a diferença de teor de vitamina E em diferentes partes do produto foi reduzida para dentro de 3%, garantindo a consistência da eficácia do produto.
4.2 Melhoria da Eficiência da Produção
O emulsionador móvel de alto cisalhamento melhorou significativamente a eficiência da produção da empresa. Para a produção de creme facial em lote de 200L, o ciclo de produção do equipamento fixo tradicional é de 8 horas (incluindo pré-mistura, emulsificação, resfriamento, descarga e limpeza), enquanto o ciclo de produção do equipamento móvel é de 4,5 horas, e a eficiência da produção é aumentada em 43,75%. As principais razões para a melhoria da eficiência são: primeiro, a cabeça de homogeneização de alto cisalhamento do equipamento tem alta eficiência de emulsificação, o que encurta o tempo de emulsificação de 30 minutos (equipamento tradicional) para 20 minutos; segundo, o tempo de limpeza do equipamento é encurtado de 4 horas (equipamento tradicional) para 30 minutos, o que reduz muito o tempo de inatividade entre os lotes; terceiro, a característica móvel do equipamento evita o processo demorado de manuseio de matéria-prima, economizando cerca de 1 hora por lote.
Para a produção experimental em pequenos lotes (lote de 50L), a melhoria da eficiência é mais óbvia. O equipamento fixo tradicional não é adequado para produção em pequenos lotes, e o ciclo de produção é tão longo quanto 6 horas, enquanto o equipamento móvel pode concluir a produção de produtos em lote de 50L em 2,5 horas, o que atende à demanda da empresa por produção experimental rápida de novas fórmulas. Nos últimos 12 meses, a empresa concluiu a produção experimental de 28 novas fórmulas usando este equipamento, o que é o dobro do número de produções experimentais de novas fórmulas no mesmo período do ano passado.
4.3 Redução dos Custos de Produção
A aplicação do emulsionador móvel de alto cisalhamento também ajudou a empresa a reduzir os custos de produção. Por um lado, o consumo de energia do equipamento é menor do que o do equipamento fixo tradicional. A potência do motor de mistura e do motor de homogeneização do equipamento móvel é de 7,5 kW e 22 kW, respectivamente, enquanto a potência do equipamento fixo tradicional é de 11 kW e 37 kW, respectivamente. Para a produção de creme facial em lote de 200L, o consumo de energia do equipamento móvel é de 8,5 kWh, o que é 42,6% menor do que o do equipamento fixo tradicional (14,8 kWh). Por outro lado, o processo de limpeza do equipamento não requer muitos agentes de limpeza e água. O consumo de água por lote é de 50L, o que é 60% menor do que o do equipamento fixo tradicional (125L). Ao mesmo tempo, a redução da perda de material durante o processo de produção (de 5% para 1,2%) também reduz o custo da matéria-prima da empresa.
Além disso, o equipamento móvel não precisa ocupar uma área de produção fixa, o que economiza o custo de aluguel da oficina da empresa. A empresa originalmente precisava de 3 linhas de produção fixas para atender à demanda de produção, e agora só precisa de 1 equipamento móvel e 2 linhas de produção fixas, economizando 20% da área da oficina.
4.4 Melhoria da Flexibilidade da Produção
A característica móvel do equipamento melhorou muito a flexibilidade da produção da empresa. A empresa pode ajustar o layout da produção de acordo com a situação do pedido. Por exemplo, quando o pedido de loção corporal aumenta, o equipamento móvel pode ser movido para a área de produção de loção corporal para aumentar a capacidade de produção de loção corporal; quando o pedido de creme facial diminui, o equipamento pode ser movido para a área de produção experimental para realizar a produção experimental de novas fórmulas. Este modo de produção flexível permite que a empresa responda rapidamente às mudanças do mercado e melhore a competitividade da empresa.
Além disso, o equipamento é adequado para a produção de vários produtos cosméticos, incluindo cremes, loções, emulsões e séruns. A empresa pode alternar entre diferentes tipos de produtos ajustando parâmetros como velocidade de homogeneização, velocidade de mistura e temperatura, sem a necessidade de substituir equipamentos, o que melhora ainda mais a flexibilidade da produção.
5. Manutenção Diária e Experiência de Operação
Durante o processo de aplicação de 12 meses, a empresa acumulou uma rica experiência na manutenção diária e operação do emulsionador móvel de alto cisalhamento, o que garante a operação estável do equipamento e a continuidade da produção.
5.1 Manutenção Diária
A manutenção diária do equipamento inclui principalmente os seguintes aspectos: Primeiro, após cada lote de produção, limpe o equipamento a tempo, incluindo o tanque de mistura, a cabeça de homogeneização, o raspador, a porta de alimentação e a porta de descarga, para evitar resíduos de material e crescimento bacteriano. Segundo, verifique o nível de óleo do motor e do sistema hidráulico (para função de elevação) todos os dias e adicione óleo lubrificante a tempo, se o nível de óleo for insuficiente. Terceiro, verifique as peças de vedação do equipamento (como o anel de vedação da tampa do tanque e a porta de descarga) quanto ao desgaste todos os dias e substitua-as a tempo, se houver vazamento. Quarto, limpe a tela do filtro do sistema de vácuo e do sistema de água de resfriamento todas as semanas para garantir o bom funcionamento do sistema.
5.2 Experiência de Operação
Em termos de operação, a empresa resume a seguinte experiência: Primeiro, ao definir a velocidade de homogeneização, ela deve ser ajustada de acordo com a viscosidade do material. Para materiais de alta viscosidade (como creme facial), a velocidade deve ser definida para 10000-15000 rpm; para materiais de baixa viscosidade (como loção corporal), a velocidade pode ser definida para 6000-10000 rpm. Segundo, durante o processo de emulsificação, a temperatura do material deve ser estritamente controlada. Para ingredientes sensíveis ao calor (como vitamina C e extrato de planta), a temperatura de emulsificação deve ser reduzida para 30-40℃ para evitar a degradação dos ingredientes ativos. Terceiro, ao mover o equipamento, deve-se garantir que o chão da oficina esteja plano e livre de obstáculos para evitar danos ao equipamento e acidentes de segurança. Quarto, os operadores devem ser treinados regularmente para dominar as habilidades de operação e os métodos de manutenção do equipamento, o que pode reduzir a taxa de falha do equipamento.
6. Resumo e Perspectiva
A aplicação do emulsionador móvel de alto cisalhamento na produção de cosméticos da empresa obteve resultados óbvios na melhoria da qualidade do produto, no aumento da eficiência da produção, na redução dos custos de produção e no aprimoramento da flexibilidade da produção. A estrutura compacta, o movimento flexível, a emulsificação eficiente e as características de fácil limpeza do equipamento são totalmente compatíveis com as necessidades de produção da empresa de lotes pequenos e médios, múltiplas variedades e troca frequente de fórmulas. Nos últimos 12 meses, o equipamento operou de forma estável, com uma taxa de falha inferior a 2%, o que garantiu a continuidade e estabilidade da produção da empresa.
Olhando para o futuro, a empresa planeja aumentar o investimento em emulsionadores móveis de alto cisalhamento, introduzir mais 2 conjuntos de equipamentos de diferentes especificações (50L e 500L) para atender às necessidades de produção de produção experimental em pequenos lotes e produção em massa em grandes lotes. Ao mesmo tempo, a empresa explorará ainda mais a aplicação do equipamento em outros campos de produtos, como produtos para cuidados com os cabelos e produtos de máscara, e otimizará continuamente o processo de produção para melhorar a competitividade da empresa no mercado de cosméticos.
Para empresas de cosméticos com necessidades de produção semelhantes (lotes pequenos e médios, múltiplas variedades, troca frequente de fórmulas), o emulsionador móvel de alto cisalhamento é um equipamento de produção econômico. Sua aplicação pode não apenas resolver os problemas existentes no equipamento fixo tradicional, mas também fornecer forte suporte para a inovação de produtos e expansão do mercado da empresa. Com o desenvolvimento contínuo da indústria de cosméticos, a demanda por equipamentos de produção flexíveis e eficientes continuará a aumentar, e o emulsionador móvel de alto cisalhamento terá uma perspectiva de aplicação mais ampla no campo da produção de cosméticos.
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