Estudio de Caso: Aplicación de un Emulsionador Móvil de Alto Cizallamiento en la Producción de Cremas Cosméticas
En el campo de la producción cosmética, la consistencia de la textura del producto, la estabilidad del sistema de emulsión y la eficiencia del proceso de producción son factores clave que afectan directamente la calidad del producto y la aceptación en el mercado. Para las empresas dedicadas a la producción de cosméticos en lotes medianos y pequeños, especialmente aquellas que involucran múltiples categorías de productos y ajustes frecuentes de fórmulas, la flexibilidad y adaptabilidad de los equipos de producción se han convertido en indicadores importantes para la selección de líneas de producción. Este estudio de caso se centra en la aplicación práctica de un emulsionador móvil de alto cizallamiento en la producción de crema facial y loción corporal, detallando los antecedentes de la aplicación del equipo, el proceso de operación, los efectos de la resolución de problemas y el valor de la aplicación a largo plazo, basándose en prácticas de producción reales.
1. Antecedentes de la Aplicación
La empresa involucrada en este caso se dedica principalmente a la investigación y producción de productos para el cuidado de la piel, que abarcan una variedad de tipos de productos como cremas faciales, lociones corporales, emulsiones y sueros. Antes de introducir el emulsionador móvil de alto cizallamiento, la empresa enfrentaba varios problemas importantes en el proceso de producción: Primero, el equipo de emulsificación fijo tradicional tenía un gran volumen y era difícil de mover, lo que hacía imposible asignar áreas de producción de manera flexible de acuerdo con el plan de producción. Cada línea de producción solo podía fijarse para un cierto tipo de producto, lo que resultaba en una baja tasa de utilización del espacio de producción. Segundo, al cambiar entre diferentes fórmulas de productos, la limpieza y desinfección de los equipos fijos tomaba mucho tiempo (generalmente de 4 a 6 horas), y existía el riesgo de contaminación cruzada entre diferentes lotes y diferentes tipos de productos, lo que afectaba la estabilidad de la calidad del producto. Tercero, para la producción de prueba de lotes pequeños de nuevas fórmulas (volumen del lote 50-200L), el equipo fijo tenía un alto consumo de energía y una baja eficiencia de producción, y el pequeño lote de materiales era difícil de emulsionar y mezclar por completo, lo que resultaba en problemas como una textura rugosa del producto y una dispersión desigual de los ingredientes funcionales.
Para resolver los problemas anteriores, la empresa realizó una investigación en profundidad sobre los equipos de producción y finalmente seleccionó un emulsionador móvil de alto cizallamiento con un volumen de trabajo de 100L-500L. La consideración principal fue que el equipo tiene las características de movimiento flexible, estructura compacta, emulsificación eficiente y fácil limpieza, lo que puede adaptarse a las necesidades de producción de lotes pequeños y medianos, múltiples variedades y cambio frecuente de fórmulas. Al mismo tiempo, el equipo cumple con los estándares GMP y FDA para la producción de cosméticos, lo que garantiza la seguridad e higiene del proceso de producción.
2. Descripción general e instalación del equipo
El emulsionador móvil de alto cizallamiento adoptado en este caso integra funciones como mezcla, homogeneización de alto cizallamiento, emulsificación, calentamiento, enfriamiento y desaireación al vacío. La estructura general del equipo es compacta, con una longitud de 1,8 metros, un ancho de 1,2 metros y una altura de 2,5 metros. La parte inferior está equipada con cuatro ruedas universales de alta carga (con función de freno), que se pueden mover fácilmente sobre el suelo plano del taller, y la resistencia al movimiento es pequeña, lo que puede ser operado por una sola persona. El tanque de mezcla, el cabezal homogeneizador, el rascador y otras partes del equipo en contacto con los materiales están hechos de acero inoxidable 316L, con una superficie interior pulida a espejo (rugosidad superficial Ra ≤ 0,4 μm), que es resistente a la corrosión y fácil de limpiar. El cabezal homogeneizador de alto cizallamiento adopta una estructura de estator-rotor de 4 etapas, con un espacio de cizallamiento de 0,03-0,1 mm y un rango de regulación de velocidad continua de 3000-15000 rpm, que puede generar una fuerte fuerza de cizallamiento para descomponer las gotas de material en micropartículas.
La instalación del equipo es simple y conveniente, sin necesidad de construcción de cimientos profesionales. Solo necesita colocar el equipo en un área plana y seca del taller, conectar la fuente de alimentación (380V, 50Hz), la tubería de agua de refrigeración y la tubería de aire comprimido (para descarga auxiliar), y completar la depuración después de verificar la estanqueidad de cada tubería y el funcionamiento del motor. El sistema de control del equipo adopta una pantalla táctil PLC, con una interfaz bilingüe chino-inglés, que es fácil de operar. Los operadores pueden dominar los métodos de operación básicos después de una capacitación simple (generalmente 1-2 días), incluida la configuración de parámetros, la operación de inicio-parada y el mantenimiento diario.
En comparación con los equipos de emulsificación fijos tradicionales, este equipo móvil no necesita ocupar un área de producción fija. Se puede mover al área de alimentación, al área de mezcla o al área de descarga correspondiente de acuerdo con el proceso de producción. Por ejemplo, al producir crema facial, se puede mover al área de almacenamiento de materias primas para la alimentación, luego se mueve al área de temperatura constante para la emulsificación y, finalmente, se mueve al área de envasado del producto terminado para la descarga, lo que optimiza en gran medida la disposición del taller de producción y mejora la tasa de utilización del espacio de producción.
3. Proceso de aplicación práctica (tomando la producción de crema facial como ejemplo)
La empresa utiliza principalmente este emulsionador móvil de alto cizallamiento para producir crema facial (tipo aceite en agua, viscosidad 10000-30000 mPa·s) y loción corporal (tipo aceite en agua, viscosidad 5000-15000 mPa·s). A continuación, se toma la producción de crema facial (volumen del lote 200L) como ejemplo para detallar el proceso de aplicación y los puntos de operación del equipo.
3.1 Preparación previa a la producción
Antes de comenzar la producción, los operadores primero verifican la integridad del equipo, incluido el funcionamiento del motor, la estanqueidad del sistema de vacío, la suavidad de la tubería de agua de refrigeración y el desgaste del cabezal homogeneizador. Al mismo tiempo, el tanque de mezcla, el cabezal homogeneizador, el rascador y otras partes se limpian y desinfectan. El proceso de limpieza adopta el sistema de limpieza automática CIP equipado con el equipo. Después de inyectar agentes de limpieza (detergente neutro y agua pura) en el tanque, se ponen en marcha las boquillas de limpieza (rotación de 360 grados) para limpiar la pared interior del tanque y la superficie de los componentes. El tiempo de limpieza es de unos 30 minutos, y luego los agentes de limpieza residuales se enjuagan con agua pura, y finalmente, el tanque se seca con aire caliente (temperatura 70-80 ℃) para evitar la contaminación cruzada entre lotes.
De acuerdo con la fórmula de la crema facial, se preparan las materias primas, incluida la fase acuosa (agua desionizada, glicerina, ácido hialurónico, etc.), la fase oleosa (aceite vegetal, aceite mineral, cera de abejas, etc.), aditivos en polvo (dióxido de titanio, óxido de zinc, etc.) e ingredientes funcionales (vitamina E, extracto de plantas, etc.). Todas las materias primas se filtran a través de una malla de filtro de 200 mallas para eliminar las impurezas, asegurando que no entren partículas sólidas en el tanque de mezcla para evitar el desgaste del cabezal homogeneizador y afectar el efecto de emulsificación.
3.2 Alimentación y premezcla
Los operadores empujan el emulsionador móvil de alto cizallamiento al área de alimentación, fijan las ruedas universales con frenos para evitar que el equipo se mueva durante la operación. Abra la tapa del puerto de alimentación del tanque de mezcla, primero agregue las materias primas de la fase acuosa preparadas en el tanque (aproximadamente 120L), luego agregue las materias primas de la fase oleosa (aproximadamente 80L) en secuencia y cierre la tapa del puerto de alimentación herméticamente. Ponga en marcha el agitador de tipo marco (velocidad 40 rpm) para la premezcla y, al mismo tiempo, ponga en marcha el sistema de calentamiento para calentar los materiales a 65-70 ℃. El método de calentamiento adopta calentamiento eléctrico, con una potencia de calentamiento de 15 kW, y la precisión de la fluctuación de la temperatura es de ±1 ℃. Durante el proceso de premezcla, la paleta rascadora adherida a la pared interior del tanque raspa continuamente los materiales adheridos a la pared, evitando el sobrecalentamiento local de los materiales y asegurando que la fase acuosa y la fase oleosa se mezclen inicialmente de manera uniforme.
En la etapa de premezcla, la característica móvil del equipo muestra ventajas obvias. En comparación con el equipo fijo, los operadores no necesitan transportar materias primas a la línea de producción fija, lo que reduce la intensidad de mano de obra de la manipulación y evita la pérdida de material durante el transporte. Al mismo tiempo, si hay escasez de materias primas durante el proceso de alimentación, el equipo se puede mover rápidamente al área de almacenamiento de materias primas para la alimentación suplementaria, lo que mejora la flexibilidad del proceso de producción.
3.3 Homogeneización y emulsificación de alto cizallamiento
Después de que se completa la premezcla y la temperatura del material alcanza el valor establecido (65-70 ℃), ponga en marcha la bomba de vacío para extraer el aire del tanque de mezcla y mantenga el grado de vacío en ≤ -0,095 MPa. El sistema de vacío del equipo puede extraer rápidamente el aire del tanque (el tiempo de bombeo es de unos 5 minutos), lo que evita la generación de burbujas durante el proceso de emulsificación e impide que el producto se vuelva áspero debido a los residuos de burbujas. Después de alcanzar el grado de vacío establecido, ponga en marcha el cabezal homogeneizador de alto cizallamiento, ajuste la velocidad a 12000 rpm y, al mismo tiempo, ajuste la velocidad del agitador a 60 rpm para asegurar que los materiales estén completamente involucrados en el proceso de emulsificación.
Durante el proceso de homogeneización y emulsificación, la estructura de estator-rotor de 4 etapas del cabezal homogeneizador genera una fuerte fuerza de cizallamiento, fuerza de impacto y turbulencia, que descompone las gotas de aceite y las gotas de agua en los materiales en microgotas (tamaño de partícula promedio 0,1-3 μm) y las dispersa uniformemente entre sí para formar un sistema de emulsión estable. La paleta rascadora raspa continuamente los materiales adheridos a la pared del tanque y al fondo del tanque, asegurando que no queden rincones muertos en el proceso de emulsificación, y todos los materiales se emulsionan por completo. El tiempo de emulsificación se establece en 20 minutos de acuerdo con los requisitos de la fórmula, y el equipo mantiene automáticamente los parámetros establecidos durante el proceso de emulsificación, y el operador solo necesita observar el estado del material a través de la ventana de observación en la tapa del tanque.
Vale la pena señalar que al cambiar entre diferentes fórmulas de productos, el cabezal homogeneizador del equipo se puede desmontar fácilmente para su limpieza y reemplazo. Por ejemplo, al cambiar de la producción de crema facial a la producción de loción corporal, el cabezal homogeneizador se desmonta, se limpia con agua pura y luego se reinstala, lo que tarda solo unos 30 minutos, lo que es mucho más corto que el tiempo de limpieza del equipo fijo tradicional (4-6 horas). Esto mejora en gran medida la eficiencia del cambio de fórmula y reduce el tiempo de inactividad entre lotes.
3.4 Enfriamiento y post-mezcla
Después de que se completa la emulsificación, detenga el cabezal homogeneizador, ajuste la velocidad del agitador a 25 rpm y ponga en marcha el sistema de enfriamiento para enfriar los materiales a temperatura ambiente (25-30 ℃). El sistema de enfriamiento adopta agua de enfriamiento circulante, y la velocidad de enfriamiento es de 8 ℃/h, lo que puede enfriar rápidamente los materiales sin afectar la estabilidad de la emulsión. Durante el proceso de enfriamiento, agregue los ingredientes funcionales (vitamina E y extracto de plantas) en el tanque a través del puerto de alimentación (el puerto de alimentación se puede abrir sin romper el vacío) y continúe mezclando durante 10 minutos para asegurar que los ingredientes funcionales se dispersen uniformemente en el sistema de emulsión.
Durante el proceso de enfriamiento, el estado de vacío del equipo se mantiene todo el tiempo, lo que evita eficazmente que el aire entre en el tanque y genere burbujas, y al mismo tiempo evita la oxidación de los ingredientes fácilmente oxidados (como la vitamina E) en los materiales, asegurando la eficacia y estabilidad del producto. El operador controla la temperatura y la viscosidad del material en tiempo real a través de la pantalla táctil del equipo y ajusta la velocidad de enfriamiento y la velocidad de mezcla de manera apropiada de acuerdo con la situación real para asegurar que la textura del producto cumpla con los requisitos.
3.5 Descarga y limpieza posterior a la producción
Cuando la temperatura del material desciende a temperatura ambiente y se completa la mezcla, detenga la bomba de vacío y el motor de mezcla, abra el puerto de descarga en la parte inferior del tanque y descargue la crema facial terminada en un recipiente de acero inoxidable limpio. El puerto de descarga del equipo está equipado con una válvula de bola, que puede controlar la velocidad de descarga, y la pared interior del tanque es lisa, por lo que no hay residuos de material durante la descarga. Después de que se completa la descarga, empuje el equipo al área de limpieza, ponga en marcha el sistema de limpieza automática CIP nuevamente para limpiar el cuerpo del tanque, el cabezal homogeneizador, el rascador y otras partes, y seque el equipo con aire caliente después de la limpieza. Todo el proceso de limpieza dura unos 30 minutos, y el equipo se puede poner en la producción del siguiente lote o del siguiente tipo de producto.
4. Efectos de la aplicación y análisis de datos
Desde la introducción del emulsionador móvil de alto cizallamiento, la empresa lo ha estado utilizando para la producción de crema facial, loción corporal y otros productos durante 12 meses, y el efecto de la aplicación es obvio. A través de la comparación de los datos de producción antes y después de la introducción del equipo, se han logrado las siguientes mejoras:
4.1 Mejora de la calidad del producto
Antes de la introducción del emulsionador móvil de alto cizallamiento, el tamaño promedio de partícula de la emulsión en los productos de crema facial de la empresa era de 5-8 μm, la textura del producto era ligeramente rugosa y ocasionalmente había pequeñas burbujas en la superficie. Después de usar el equipo, el tamaño promedio de partícula de la emulsión se redujo a 0,1-3 μm, la distribución del tamaño de partícula fue más uniforme (índice de polidispersidad PDI ≤ 0,16), la textura del producto fue suave y delicada, y no había burbujas en la superficie. Al mismo tiempo, la estabilidad del producto mejoró significativamente. El producto se almacenó a 45 ℃ durante 3 meses sin delaminación, decoloración u olor, lo que fue mejor que el estándar nacional para la estabilidad cosmética (almacenado a 45 ℃ durante 2 meses sin anomalías).
Además, se ha mejorado la dispersión uniforme de los ingredientes funcionales en el producto. Tomando la vitamina E como ejemplo, antes de usar el equipo, el contenido de vitamina E en diferentes partes del producto era desigual, con una diferencia de hasta el 15%. Después de usar el equipo, la diferencia de contenido de vitamina E en diferentes partes del producto se redujo a menos del 3%, lo que garantiza la consistencia de la eficacia del producto.
4.2 Mejora de la eficiencia de producción
El emulsionador móvil de alto cizallamiento ha mejorado significativamente la eficiencia de producción de la empresa. Para la producción de crema facial en lotes de 200L, el ciclo de producción del equipo fijo tradicional es de 8 horas (incluida la premezcla, la emulsificación, el enfriamiento, la descarga y la limpieza), mientras que el ciclo de producción del equipo móvil es de 4,5 horas, y la eficiencia de producción aumenta en un 43,75%. Las principales razones de la mejora de la eficiencia son: primero, el cabezal homogeneizador de alto cizallamiento del equipo tiene una alta eficiencia de emulsificación, lo que acorta el tiempo de emulsificación de 30 minutos (equipo tradicional) a 20 minutos; segundo, el tiempo de limpieza del equipo se acorta de 4 horas (equipo tradicional) a 30 minutos, lo que reduce en gran medida el tiempo de inactividad entre lotes; tercero, la característica móvil del equipo evita el proceso de manipulación de materias primas que consume mucho tiempo, ahorrando aproximadamente 1 hora por lote.
Para la producción de prueba de lotes pequeños (lote de 50L), la mejora de la eficiencia es más obvia. El equipo fijo tradicional no es adecuado para la producción de lotes pequeños, y el ciclo de producción es de hasta 6 horas, mientras que el equipo móvil puede completar la producción de productos en lotes de 50L en 2,5 horas, lo que satisface la demanda de la empresa de producción de prueba rápida de nuevas fórmulas. En los últimos 12 meses, la empresa ha completado la producción de prueba de 28 nuevas fórmulas utilizando este equipo, que es el doble del número de producciones de prueba de nuevas fórmulas en el mismo período del año pasado.
4.3 Reducción de los costos de producción
La aplicación del emulsionador móvil de alto cizallamiento también ha ayudado a la empresa a reducir los costos de producción. Por un lado, el consumo de energía del equipo es menor que el del equipo fijo tradicional. La potencia del motor de mezcla y del motor homogeneizador del equipo móvil es de 7,5 kW y 22 kW respectivamente, mientras que la potencia del equipo fijo tradicional es de 11 kW y 37 kW respectivamente. Para la producción de crema facial en lotes de 200L, el consumo de energía del equipo móvil es de 8,5 kWh, lo que es un 42,6% menor que el del equipo fijo tradicional (14,8 kWh). Por otro lado, el proceso de limpieza del equipo no requiere muchos agentes de limpieza y agua. El consumo de agua por lote es de 50L, lo que es un 60% menor que el del equipo fijo tradicional (125L). Al mismo tiempo, la reducción de la pérdida de material durante el proceso de producción (del 5% al 1,2%) también reduce el costo de las materias primas de la empresa.
Además, el equipo móvil no necesita ocupar un área de producción fija, lo que ahorra el costo de alquiler del taller de la empresa. La empresa originalmente necesitaba 3 líneas de producción fijas para satisfacer la demanda de producción, y ahora solo necesita 1 equipo móvil y 2 líneas de producción fijas, ahorrando el 20% del área del taller.
4.4 Mejora de la flexibilidad de producción
La característica móvil del equipo ha mejorado en gran medida la flexibilidad de la producción de la empresa. La empresa puede ajustar la disposición de la producción de acuerdo con la situación del pedido. Por ejemplo, cuando aumenta el pedido de loción corporal, el equipo móvil se puede mover al área de producción de loción corporal para aumentar la capacidad de producción de loción corporal; cuando disminuye el pedido de crema facial, el equipo se puede mover al área de producción de prueba para llevar a cabo la producción de prueba de nuevas fórmulas. Este modo de producción flexible permite a la empresa responder rápidamente a los cambios del mercado y mejorar la competitividad de la empresa.
Además, el equipo es adecuado para la producción de varios productos cosméticos, incluyendo cremas, lociones, emulsiones y sueros. La empresa puede cambiar entre diferentes tipos de productos ajustando parámetros como la velocidad de homogeneización, la velocidad de mezcla y la temperatura, sin necesidad de reemplazar el equipo, lo que mejora aún más la flexibilidad de la producción.
5. Mantenimiento diario y experiencia de operación
Durante el proceso de aplicación de 12 meses, la empresa ha acumulado una rica experiencia en el mantenimiento diario y la operación del emulsionador móvil de alto cizallamiento, lo que asegura el funcionamiento estable del equipo y la continuidad de la producción.
5.1 Mantenimiento diario
El mantenimiento diario del equipo incluye principalmente los siguientes aspectos: Primero, después de cada lote de producción, limpie el equipo a tiempo, incluyendo el tanque de mezcla, el cabezal homogeneizador, el rascador, el puerto de alimentación y el puerto de descarga, para evitar residuos de material y el crecimiento bacteriano. Segundo, revise el nivel de aceite del motor y del sistema hidráulico (para la función de elevación) todos los días, y agregue aceite lubricante a tiempo si el nivel de aceite es insuficiente. Tercero, revise las piezas de sellado del equipo (como el anillo de sellado de la tapa del tanque y el puerto de descarga) en busca de desgaste todos los días, y reemplácelas a tiempo si hay fugas. Cuarto, limpie la pantalla del filtro del sistema de vacío y del sistema de agua de refrigeración cada semana para asegurar el funcionamiento sin problemas del sistema.
5.2 Experiencia de operación
En términos de operación, la empresa resume la siguiente experiencia: Primero, al configurar la velocidad de homogeneización, debe ajustarse de acuerdo con la viscosidad del material. Para materiales de alta viscosidad (como crema facial), la velocidad debe ajustarse a 10000-15000 rpm; para materiales de baja viscosidad (como loción corporal), la velocidad se puede ajustar a 6000-10000 rpm. Segundo, durante el proceso de emulsificación, la temperatura del material debe controlarse estrictamente. Para ingredientes sensibles al calor (como la vitamina C y el extracto de plantas), la temperatura de emulsificación debe reducirse a 30-40 ℃ para evitar la degradación de los ingredientes activos. Tercero, al mover el equipo, debe asegurarse de que el suelo del taller esté plano y libre de obstáculos para evitar daños al equipo y accidentes de seguridad. Cuarto, los operadores deben ser capacitados regularmente para dominar las habilidades de operación y los métodos de mantenimiento del equipo, lo que puede reducir la tasa de fallas del equipo.
6. Resumen y perspectiva
La aplicación del emulsionador móvil de alto cizallamiento en la producción cosmética de la empresa ha logrado resultados obvios en la mejora de la calidad del producto, el aumento de la eficiencia de producción, la reducción de los costos de producción y la mejora de la flexibilidad de producción. La estructura compacta del equipo, el movimiento flexible, la emulsificación eficiente y las características de fácil limpieza son totalmente compatibles con las necesidades de producción de la empresa de lotes pequeños y medianos, múltiples variedades y cambio frecuente de fórmulas. En los últimos 12 meses, el equipo ha funcionado de manera estable, con una tasa de fallas inferior al 2%, lo que ha asegurado la continuidad y estabilidad de la producción de la empresa.
De cara al futuro, la empresa planea aumentar la inversión en emulsionadores móviles de alto cizallamiento, introducir 2 juegos más de equipos de diferentes especificaciones (50L y 500L) para satisfacer las necesidades de producción de producción de prueba de lotes pequeños y producción masiva de lotes grandes. Al mismo tiempo, la empresa explorará aún más la aplicación del equipo en otros campos de productos, como productos para el cuidado del cabello y productos de mascarillas, y optimizará continuamente el proceso de producción para mejorar la competitividad de la empresa en el mercado cosmético.
Para las empresas cosméticas con necesidades de producción similares (lotes pequeños y medianos, múltiples variedades, cambio frecuente de fórmulas), el emulsionador móvil de alto cizallamiento es un equipo de producción rentable. Su aplicación no solo puede resolver los problemas existentes en los equipos fijos tradicionales, sino que también proporciona un fuerte apoyo para la innovación de productos y la expansión del mercado de la empresa. Con el desarrollo continuo de la industria cosmética, la demanda de equipos de producción flexibles y eficientes seguirá aumentando, y el emulsionador móvil de alto cizallamiento tendrá una perspectiva de aplicación más amplia en el campo de la producción cosmética.
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