Nghiên cứu điển hình: Triển khai thiết bị nhũ hóa trộn cắt để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất
Giới thiệu
Trong lĩnh vực các ngành công nghiệp sản xuất phụ thuộc vào việc tạo ra các sản phẩm nhũ hóa—chẳng hạn như mỹ phẩm, dược phẩm và hóa chất đặc biệt—việc đạt được sự phân tán thành phần kỹ lưỡng, kết cấu sản phẩm nhất quán và chu kỳ sản xuất hiệu quả là điều cần thiết để đáp ứng nhu cầu thị trường. Đối với một cơ sở sản xuất tập trung vào việc tạo ra các công thức nhũ hóa phức tạp với nhiều thành phần nguyên liệu thô, những hạn chế của hệ thống trộn truyền thống đã trở thành một rào cản đáng kể đối với sự tăng trưởng. Các hệ thống này gặp khó khăn trong việc cung cấp các lực cắt cao cần thiết để nhũ hóa ổn định, dẫn đến sự không nhất quán về chất lượng và sự chậm trễ trong sản xuất. Để giải quyết những thách thức này, cơ sở đã đầu tư vào thiết bị nhũ hóa trộn cắt. Nghiên cứu điển hình này ghi lại hành trình của cơ sở từ việc xác định các điểm khó khăn đến việc triển khai thiết bị mới và những cải tiến hữu hình được quan sát trong khoảng thời gian 24 tháng.
Bối cảnh: Những hạn chế của hệ thống trộn truyền thống
Trước khi áp dụng thiết bị nhũ hóa trộn cắt, cơ sở đã sử dụng các máy khuấy và máy trộn cắt thấp thông thường để chuẩn bị các sản phẩm nhũ hóa của mình. Mặc dù các hệ thống này đủ cho các tác vụ trộn cơ bản, nhưng chúng không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của cơ sở, dẫn đến bốn thách thức chính:
- Tính ổn định nhũ hóa không đầy đủ: Các lực cắt thấp do máy trộn truyền thống tạo ra đã ngăn cản sự phân tán hoàn toàn của các pha dầu và nước, dẫn đến nhũ tương không ổn định. Nhiều lô hàng yêu cầu xử lý hoặc phụ gia bổ sung để đạt được độ ổn định mong muốn và một số sản phẩm thậm chí còn bị tách ra trong quá trình bảo quản—dẫn đến khiếu nại của khách hàng và tỷ lệ loại bỏ lô hàng từ 7-9%.
- Thời gian xử lý kéo dài: Do hiệu quả của việc trộn cắt thấp, cơ sở đã dành trung bình 6 giờ cho mỗi lô để đạt được mức nhũ hóa chấp nhận được. Thời gian xử lý dài này đã giới hạn sản lượng hàng ngày của cơ sở ở mức 5-7 lô, gây khó khăn cho việc thực hiện các đơn đặt hàng lớn hoặc phản ứng nhanh với sự tăng đột biến về nhu cầu.
- Lãng phí nguyên liệu cao: Hiệu suất trộn không nhất quán của các hệ thống truyền thống thường dẫn đến việc sử dụng quá nhiều nguyên liệu thô—đặc biệt là các chất nhũ hóa—để bù đắp cho sự phân tán kém. Ngoài ra, việc trộn không hoàn toàn dẫn đến cặn sản phẩm không thể thu hồi từ máy trộn, dẫn đến tỷ lệ lãng phí nguyên liệu thô là 12%, làm tăng đáng kể chi phí sản xuất.
- Nguy cơ làm sạch phức tạp và nhiễm chéo: Máy trộn truyền thống có cấu trúc bên trong phức tạp với các khu vực khó tiếp cận, khiến việc làm sạch trở thành một quá trình tốn thời gian, mất đến 1 giờ cho mỗi lô. Tệ hơn nữa, cặn sản phẩm từ các lô trước đôi khi vẫn còn trong các khu vực ẩn này, gây ra nguy cơ nhiễm chéo cho các lô tiếp theo—đặc biệt quan trọng đối với các dòng sản phẩm dược phẩm và mỹ phẩm của cơ sở, vốn yêu cầu tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn vệ sinh.
Lựa chọn thiết bị và lập kế hoạch triển khai
Sau khi tiến hành phân tích chuyên sâu về các yêu cầu sản xuất của mình, cơ sở bắt đầu đánh giá các công nghệ trộn có thể cung cấp lực cắt cao trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt trong vận hành. Các tiêu chí chính để lựa chọn thiết bị bao gồm:
- Khả năng tạo ra đủ năng lượng cắt (đo bằng kW/m³) để phá vỡ các cụm hạt và đảm bảo sự hình thành nhũ tương ổn định
- Khả năng tương thích với nhiều độ nhớt nguyên liệu thô (từ 500 đến 10.000 cP) được sử dụng trong danh mục sản phẩm của cơ sở
- Dễ dàng tích hợp với các dây chuyền sản xuất và hệ thống điều khiển hiện có
- Các tính năng thiết kế tạo điều kiện làm sạch nhanh chóng và giảm thiểu nguy cơ nhiễm chéo
- Hiệu quả năng lượng để giảm chi phí vận hành dài hạn
Sau khi đánh giá nghiêm ngặt nhiều tùy chọn thiết bị, cơ sở đã chọn một hệ thống nhũ hóa trộn cắt được trang bị các tính năng sau:
- Cụm rotor-stator tốc độ cao có khả năng tạo ra tốc độ cắt lên đến 10.000 s⁻¹ để phân tán pha hiệu quả
- Điều khiển tốc độ thay đổi (500-5.000 RPM) để thích ứng với các công thức sản phẩm khác nhau
- Thiết kế vệ sinh với bề mặt bên trong nhẵn, các bộ phận có thể tháo rời và khả năng tương thích CIP (Làm sạch tại chỗ)
- Tích hợp với hệ thống PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) hiện có của cơ sở để theo dõi quy trình theo thời gian thực và điều chỉnh thông số
- Buồng trộn kín để ngăn chặn sự bay hơi và nhiễm bẩn của thành phần trong quá trình xử lý
Việc triển khai thiết bị nhũ hóa trộn cắt tuân theo một kế hoạch bốn giai đoạn có cấu trúc để giảm thiểu sự gián đoạn sản xuất:
Giai đoạn 1: Chuẩn bị địa điểm và nâng cấp cơ sở hạ tầng
Cơ sở trước tiên đã tiến hành đánh giá chi tiết địa điểm để xác định vị trí tối ưu cho thiết bị mới. Điều này liên quan đến:
- Đánh giá khả năng chịu tải của sàn để hỗ trợ trọng lượng của thiết bị (khoảng 1.200 kg)
- Nâng cấp hệ thống điện để cung cấp nguồn điện cần thiết (480V, 3 pha)
- Lắp đặt các đường ống nước bổ sung cho hệ thống CIP và cấp nguyên liệu thô
- Sửa đổi hệ thống thông gió của cơ sở để chứa nhiệt do động cơ của thiết bị tạo ra
Giai đoạn 2: Đào tạo người vận hành và phát triển kỹ năng
Nhận thấy rằng việc áp dụng thiết bị thành công phụ thuộc vào trình độ của người vận hành, cơ sở đã đầu tư vào việc đào tạo toàn diện cho nhóm sản xuất của mình. Chương trình đào tạo, được phát triển với sự hợp tác của nhà cung cấp thiết bị, bao gồm:
- Các buổi học trên lớp về các nguyên tắc trộn cắt, khoa học nhũ tương và chức năng thiết bị
- Đào tạo thực hành với thiết bị, bao gồm các quy trình khởi động, điều chỉnh thông số và giao thức tắt máy
- Các hội thảo khắc phục sự cố để giải quyết các vấn đề thường gặp như quá nhiệt động cơ, dao động áp suất và sự cố hệ thống CIP
- Đào tạo an toàn tập trung vào các quy trình khóa/gắn thẻ (LOTO) thích hợp, sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) và ứng phó khẩn cấp
Giai đoạn 3: Thử nghiệm thí điểm và tối ưu hóa quy trình
Để xác nhận hiệu suất của thiết bị và tinh chỉnh các thông số quy trình, cơ sở đã tiến hành thử nghiệm thí điểm trong ba tháng. Trong giai đoạn này:
- Nhóm đã thử nghiệm máy nhũ hóa trộn cắt với năm công thức được sản xuất phổ biến nhất của cơ sở
- Các thông số như tốc độ rôto, thời gian trộn và trình tự cấp liệu đã được điều chỉnh để tối ưu hóa độ ổn định của nhũ tương và chất lượng sản phẩm
- Các mẫu từ mỗi lô thí điểm đã được phân tích trong phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng của cơ sở để phân bố kích thước hạt (sử dụng tán xạ ánh sáng động), độ nhớt (với máy đo độ nhớt quay) và độ ổn định bảo quản (thông qua các thử nghiệm lão hóa gia tốc)
- Kết quả được so sánh với kết quả của các lô được sản xuất bằng hệ thống trộn truyền thống, xác nhận rằng thiết bị mới luôn mang lại hiệu suất vượt trội
Giai đoạn 4: Tích hợp và chuyển đổi quy mô đầy đủ
Sau khi thử nghiệm thí điểm thành công, cơ sở đã tiến hành tích hợp quy mô đầy đủ của máy nhũ hóa trộn cắt vào dây chuyền sản xuất của mình. Một phương pháp tiếp cận chuyển đổi theo từng giai đoạn đã được áp dụng:
- Trong tháng đầu tiên, thiết bị mới được vận hành song song với máy trộn truyền thống để đảm bảo tính liên tục của nguồn cung
