Применение лабораторного эмульгатора высокого сдвига
В области тонкой химии, фармацевтики и исследований и разработок косметики лабораторное эмульгирование является ключевым звеном, напрямую влияющим на разработку рецептур, проверку характеристик продукции и мелкосерийное опытное производство. Лаборатория, занимающаяся исследованиями и разработками и мелкосерийным опытным производством многокомпонентных полутвердых продуктов, столкнулась с постоянными проблемами в процессе эмульгирования, что ограничивало эффективность итерации рецептур и надежность результатов опытного производства. После внедрения лабораторного эмульгатора высокого сдвига лаборатория успешно решила эти проблемы, добившись значительных улучшений в эффективности исследований и разработок, стабильности продукции и согласованности партий.
Предпосылки и существующие проблемы
Лаборатория в основном занимается исследованиями и разработками полутвердых продуктов, таких как фармацевтические эмульсии, косметические лосьоны и тонкие химические добавки, а также задачами мелкосерийного опытного производства (5-50 литров на партию). До модернизации оборудования лаборатория полагалась на традиционную малогабаритную магнитную мешалку и базовый гомогенизатор для завершения процесса эмульгирования. Из-за ограничений производительности оборудования и конструктивного исполнения в повседневной работе существовали следующие серьезные проблемы:
- Недостаточная сила сдвига и неравномерное эмульгирование: Традиционная магнитная мешалка могла обеспечить только базовое перемешивание, а сила сдвига, обеспечиваемая базовым гомогенизатором, была ограничена (максимальная скорость сдвига ≤ 20 000 с⁻¹). Для материалов, содержащих мелкие твердые частицы (начальный размер частиц 3-10 мкм) и несмешивающиеся масло-водные фазы, было трудно разрушить агломераты и добиться полного эмульгирования. Готовый образец часто имел неоднородную текстуру, а средний размер частиц дисперсной фазы контролировался только на уровне 4-8 мкм, что не соответствовало требованиям к характеристикам высококачественных рецептур.
- Плохая воспроизводимость образцов в партиях: Традиционное оборудование не имело точного контроля над ключевыми параметрами, такими как скорость сдвига, время эмульгирования и температура. Рабочие параметры в основном регулировались вручную на основе опыта, что приводило к большим различиям в настройках параметров между разными операторами и даже между партиями одной и той же рецептуры. Коэффициент вариации (CV) ключевых показателей (распределение частиц по размерам, вязкость, стабильность) между партиями достигал 15-20%, что серьезно влияло на надежность данных исследований и разработок и согласованность опытных образцов.
- Длительный цикл разработки рецептур: Из-за неудовлетворительного эффекта эмульгирования лаборатории приходилось неоднократно корректировать соотношение рецептуры и технологические параметры для каждого нового проекта исследований и разработок продукции. В среднем требовалось 45-60 дней, чтобы завершить рецептуру от первоначальной разработки до стабильной проверки. Кроме того, плохая стабильность эмульгирования образцов приводила к частой переработке экспериментов, что еще больше увеличивало цикл исследований и разработок и увеличивало расход сырья.
- Риск загрязнения образцов и сложная очистка: Традиционный гомогенизатор имел сложную структуру с множеством мертвых зон в смесительной камере и соединительных частях. Его было трудно тщательно очистить после каждого эксперимента, и остатки материалов из предыдущих образцов могли загрязнить последующие эксперименты. Это было особенно критично для фармацевтических и косметических исследований и разработок, поскольку даже незначительное загрязнение могло привести к неудаче всего эксперимента и повлиять на оценку безопасности продукции.
- Невозможность соответствия потребностям опытно-промышленного производства: Параметры производительности традиционного лабораторного оборудования сильно отличались от параметров промышленных эмульгаторов высокого сдвига. Технологические параметры, проверенные в лаборатории, не могли быть непосредственно масштабированы до опытно-промышленного производства, требуя повторной корректировки и проверки в процессе масштабирования. Это не только увеличивало рабочую нагрузку персонала исследований и разработок, но и приводило к несоответствию между результатами лабораторных исследований и эффектами промышленного производства.
Выбор оборудования и основная конфигурация
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, лаборатория выбрала лабораторный эмульгатор высокого сдвига с точным контролем параметров, компактной структурой и хорошей масштабируемостью, который был специально разработан для мелкосерийных исследований и разработок и опытного производства. Основная конфигурация и технические характеристики оборудования следующие:
1. Основная система сдвига
Эмульгатор имеет трехступенчатую структуру статор-ротор со съемной конструкцией, а зазор сдвига можно регулировать в пределах 0,05-0,15 мм. Скорость ротора контролируется преобразованием частоты и может плавно регулироваться в диапазоне 3000-20000 об/мин, создавая максимальную скорость сдвига 85000 с⁻¹. Эта структура может эффективно разрушать мелкие агломераты и реализовывать быстрое слияние несмешивающихся фаз, обеспечивая тонкость и однородность дисперсной фазы. Статор и ротор изготовлены из нержавеющей стали 316L с зеркальной полировкой (шероховатость поверхности Ra ≤ 0,4 мкм), которая устойчива к коррозии и легко очищается.
2. Система точного контроля параметров
Оборудование оснащено интеллектуальной системой управления ПЛК и интерфейсом управления с сенсорным экраном, который может реализовать точный контроль ключевых параметров, таких как скорость сдвига (точность ±10 об/мин), время эмульгирования (точность ±1 секунда) и температура материала (точность ±0,5℃). Система поддерживает функции хранения и вызова параметров, которые могут хранить до 100 наборов технологических параметров рецептуры. Это гарантирует, что для каждой партии экспериментов используются одни и те же настройки параметров, избегая ошибок, вызванных ручным управлением. Кроме того, система может автоматически записывать кривую параметров в процессе эмульгирования, обеспечивая надежную поддержку данных для анализа исследований и разработок.
3. Функции контроля температуры и защиты
Смесительная камера оснащена рубашкой для контроля температуры, которая может осуществлять нагрев или охлаждение материалов с помощью циркулирующей воды или масла. Диапазон регулирования температуры составляет 0-100℃, что может соответствовать температурным требованиям различных материалов (особенно термочувствительных материалов, таких как белки и растительные экстракты). Оборудование также оснащено функциями защиты от перегрева, превышения скорости и перегрузки. Когда параметры выходят за установленный диапазон, оборудование автоматически отключается, чтобы избежать повреждения оборудования и ухудшения качества образцов.
4. Компактная структура и простота эксплуатации
Общий объем оборудования компактен (длина × ширина × высота = 600 мм × 450 мм × 800 мм), что подходит для ограниченного пространства лаборатории. Смесительная головка имеет подъемную конструкцию, которую можно легко регулировать вверх и вниз, чтобы адаптироваться к различным размерам стаканов и резервуаров (500 мл-50 л). Съемная конструкция статора и ротора облегчает разборку, очистку и замену, а весь процесс очистки может быть завершен в течение 10 минут, что эффективно снижает риск загрязнения образцов.
5. Масштабируемость для масштабирования производства
Оборудование имеет модульную конструкцию, а его основные технические параметры (скорость сдвига, диапазон скоростей, эффективность эмульгирования) соответствуют параметрам промышленных эмульгаторов высокого сдвига. Технологические параметры, проверенные в лаборатории, могут быть непосредственно масштабированы до опытно-промышленного и промышленного производства путем регулировки объемного соотношения, избегая повторной проверки параметров и повышая эффективность преобразования технологий.
Процесс реализации и оптимизация параметров
После ввода оборудования в эксплуатацию лаборатория провела 3-месячную опытную эксплуатацию и оптимизацию параметров, а также скорректировала исходный процесс эмульгирования в соответствии с эксплуатационными характеристиками лабораторного эмульгатора высокого сдвига. Конкретный процесс реализации следующий:
1. Предварительный эксперимент и калибровка параметров
Во-первых, лаборатория выбрала 5 типичных рецептур (включая фармацевтические эмульсии, косметические лосьоны и химические добавки) для предварительных экспериментов. Путем регулировки скорости сдвига (5000-18000 об/мин), времени эмульгирования (5-30 минут) и температуры (25-70℃) была определена оптимальная комбинация параметров для каждой рецептуры. Например, для косметического лосьона, содержащего твердый порошок и масляные фазы, оптимальными параметрами были определены: скорость сдвига 12000 об/мин, время эмульгирования 15 минут и температура 45℃. При этих параметрах средний размер частиц образца был уменьшен до 1,2 мкм, а стабильность эмульгирования значительно улучшилась.
2. Проверка воспроизводимости партии
После определения оптимальных параметров для каждой рецептуры лаборатория провела эксперименты по проверке воспроизводимости партии. Для каждой рецептуры было подготовлено 10 партий образцов подряд с использованием сохраненных настроек параметров. Результаты показали, что коэффициент вариации (CV) ключевых показателей, таких как распределение частиц по размерам, вязкость и стабильность между партиями, снизился с 15-20% до 2-5%, что полностью соответствовало требованиям исследований и разработок и опытного производства.
3. Оптимизация процесса и сокращение цикла исследований и разработок
Основываясь на преимуществах производительности лабораторного эмульгатора высокого сдвига, лаборатория оптимизировала исходный процесс исследований и разработок. Традиционный процесс «поэтапного перемешивания + повторной гомогенизации» был скорректирован до «одноэтапного эмульгирования высоким сдвигом», что сократило количество экспериментальных этапов. В то же время, благодаря улучшенному эффекту эмульгирования и воспроизводимости, количество экспериментов по переработке было сокращено на 70%. Для новых проектов исследований и разработок продукции средний цикл разработки был сокращен с 45-60 дней до 20-30 дней.
4. Проверка масштабирования производства
Лаборатория выбрала 2 зрелые рецептуры (фармацевтическую эмульсию и косметический крем) для проверки масштабирования производства. Параметры, проверенные в лаборатории (скорректированные в соответствии с объемным соотношением), были непосредственно применены к опытно-промышленной производственной линии (500 л). Результаты показали, что ключевые показатели опытно-промышленных продуктов соответствовали лабораторным образцам, а коэффициент соответствия опытно-промышленных продуктов достиг 98%, что на 30% выше, чем до модернизации оборудования. Это эффективно решило проблему несоответствия параметров между лабораторным и промышленным производством.
Эффекты применения и анализ данных
После 6 месяцев формальной эксплуатации лабораторный эмульгатор высокого сдвига добился замечательных результатов в улучшении эффективности исследований и разработок, качества продукции и масштабируемости процесса. Конкретное сравнение данных до и после модернизации оборудования следующее:
1. Значительное улучшение качества эмульгирования
Средний размер частиц дисперсной фазы в образце был уменьшен с 4-8 мкм до 0,8-2,0 мкм, а индекс полидисперсности (PDI) контролировался ниже 0,18. Стабильность эмульгирования образца была значительно улучшена, а скорость расслоения после 30 дней хранения снизилась с 10-12% до менее 1%. Для термочувствительных материалов функция точного контроля температуры оборудования позволила избежать потери активных ингредиентов, а коэффициент удержания активных ингредиентов увеличился на 25-30% по сравнению с традиционным оборудованием.
2. Замечательное улучшение воспроизводимости партии
Коэффициент вариации (CV) ключевых показателей между партиями снизился с 15-20% до 2-5%, что обеспечило надежность данных исследований и разработок и согласованность опытных образцов. Это не только сократило расход сырья, вызванный плохой воспроизводимостью (расход сырья в среднем сократился на 35%), но и заложило прочную основу для последующей оценки безопасности и продвижения продукции на рынке.
3. Значительное сокращение цикла исследований и разработок
Средний цикл исследований и разработок для новых продуктов был сокращен с 45-60 дней до 20-30 дней, а эффективность итерации рецептур была улучшена на 40-50%. Для улучшенных рецептур продукции цикл исследований и разработок был сокращен с 20-30 дней до 7-15 дней, что позволило лаборатории быстрее реагировать на рыночный спрос и повысить конкурентоспособность результатов исследований и разработок.
4. Снижение риска загрязнения образцов и рабочей нагрузки по очистке
Съемная конструкция оборудования без мертвых зон в сочетании с зеркальной полировкой поверхности эффективно снизила риск загрязнения образцов. Количество неудачных экспериментов, вызванных загрязнением образцов, сократилось с 3-4 раз в месяц до 0-1 раза в квартал. В то же время время очистки оборудования сократилось на 60% по сравнению с традиционным оборудованием, что снизило рабочую нагрузку лабораторного персонала и повысило эффективность работы.
5. Повышение эффективности преобразования технологий
Масштабируемость оборудования позволила непосредственно масштабировать технологические параметры, проверенные в лаборатории, до опытно-промышленного и промышленного производства. Время, необходимое для преобразования технологий, сократилось с 2-3 месяцев до 2-4 недель, а коэффициент успешности преобразования технологий увеличился с 65% до 98%. Это не только сэкономило затраты на преобразование технологий, но и ускорило темпы вывода продукции на рынок.
Ключевой опыт и примечания по эксплуатации
В процессе использования лабораторного эмульгатора высокого сдвига лаборатория обобщила следующий ключевой опыт и примечания по эксплуатации, чтобы обеспечить стабильную работу оборудования и в полной мере использовать его производительность:
- Настройка параметров должна выполняться в соответствии с характеристиками материалов. Для высоковязких материалов скорость сдвига следует увеличивать постепенно (от низкой скорости к высокой), чтобы избежать разбрызгивания материала и перегрузки оборудования; для термочувствительных материалов температуру следует строго контролировать, а время эмульгирования при необходимости следует соответствующим образом сократить.
- Статор и ротор следует регулярно очищать и осматривать. После каждого эксперимента статор и ротор следует разбирать и тщательно очищать, чтобы избежать загрязнения остатками материала. Состояние износа статора и ротора следует проверять каждые 300 часов работы, и их следует своевременно заменять, когда величина износа превышает 0,1 мм, чтобы обеспечить эффект эмульгирования.
- При проведении экспериментов по масштабированию корректировку параметров следует выполнять на основе объемного соотношения и характеристик материала, а сначала следует проводить небольшие опытные эксперименты, чтобы проверить осуществимость параметров перед крупномасштабным производством.
- Оборудование следует регулярно калибровать. Скорость, температуру и другие параметры оборудования следует калибровать каждые 6 месяцев, чтобы обеспечить точность контроля параметров и надежность экспериментальных данных.
- Операторы должны пройти профессиональную подготовку. Перед использованием оборудования операторы должны ознакомиться со структурой и правилами эксплуатации оборудования, чтобы избежать операционных ошибок, вызванных неправильной эксплуатацией.
Резюме
Применение лабораторного эмульгатора высокого сдвига принципиально решило давние проблемы плохого эффекта эмульгирования, низкой воспроизводимости партии, длительного цикла исследований и разработок и сложного преобразования технологий в лаборатории. Благодаря высокой силе сдвига, точному контролю параметров, простоте очистки и хорошей масштабируемости оборудование значительно повысило эффективность исследований и разработок и опытного производства, обеспечило качество и стабильность образцов, а также снизило расход сырья и экспериментальные затраты.
Для лабораторий, занимающихся исследованиями и разработками и мелкосерийным опытным производством многокомпонентных полутвердых продуктов, лабораторный эмульгатор высокого сдвига является незаменимым основным оборудованием. Он не только обеспечивает надежную техническую поддержку для разработки рецептур и проверки характеристик, но и устраняет разрыв между лабораторными исследованиями и разработками и промышленным производством, способствуя эффективному преобразованию научно-технических достижений. Благодаря стандартизированной эксплуатации и регулярному техническому обслуживанию оборудование может поддерживать долгосрочную стабильную работу, обеспечивая постоянную поддержку устойчивого развития лабораторной работы.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!