An integrated methodology for chemical product design: application to cosmetic emulsions

Abstract

Abstract The design of optimal mixtures is a major challenge in many industrial sectors, especially for formulated products such as cosmetics. Due to the large number of different combinations of ingredients and their quantities, a critical issue is how to define a narrow search space using available knowledge. For this purpose, besides considering some key physicochemical properties of the final product, it is of paramount importance to take into account the performance of the product as perceived by the final consumer. Here, we have proposed a methodology to find a set of plausible formulations for emulsified cosmetic products, based on a fuzzy integral analysis of the consumer preferences and integrated into a mixed-integer optimization tool that incorporates available heuristic rules and property models. Two case studies of cosmetic emulsions were given to illustrate the methodology. In a first example using hair conditioners, the rheological, textural, and microstructural properties of nine alternative formulations manufactured at a lab scale were measured to validate the modelling of emulsified products. Then, two commercial samples of skin moisturizers were tested to identify the most relevant consumer attributes using fuzzy measures. Based on this assessment, ten computer-generated solutions with minimum ingredient costs were also manufactured and evaluated, showing that the proposed methodology could be well adapted to accelerate reformulation or benchmarking processes. Using this approach, product designers could also estimate the relevance and interactions of subjective consumer attributes and guide the design of other formulated products.

El diseño óptimo de mezclas es un reto importante en muchos sectores industriales, especialmente para productos formulados como los cosméticos. Debido al gran número de combinaciones diferentes de ingredientes y sus niveles de uso, una cuestión crítica es cómo definir un espacio de búsqueda reducido utilizando el conocimiento disponible. Para ello, además de considerar algunas propiedades fisicoquímicas claves del producto final, es de vital importancia tener en cuenta el desempeño del producto tal como lo percibe el consumidor final. Aquí, se ha propuesto una metodología para encontrar un conjunto de formulaciones plausibles para productos cosméticos emulsionados, basadas en un análisis integral difuso de las preferencias del consumidor, integrado a una herramienta de optimización de números enteros mixtos que incorpora reglas heurísticas y modelos de propiedades disponibles. Se presentaron dos estudios de caso de emulsiones cosméticas para ilustrar la metodología. En un primer ejemplo utilizando acondicionadores de cabello, se midieron las propiedades reológicas, texturales y microestructurales de nueve formulaciones alternativas, fabricadas a escala de laboratorio, para validar el modelado de productos emulsionados. Luego, dos muestras comerciales de humectantes para la piel fueron probadas para identificar los atributos más relevantes del consumidor usando medidas difusas. Sobre la base de esta evaluación, también se fabricaron y evaluaron diez soluciones generadas por ordenador con costos mínimos de ingredientes, lo que demuestra que la metodología propuesta podría adaptarse bien para acelerar los procesos de reformulación o de evaluación comparativa. Utilizando este enfoque, los diseñadores de productos también podrían estimar la relevancia y las interacciones de los atributos del consumidor y guiar el diseño de otros productos formulados.

La conception de mélanges optimaux est un défi important dans de nombreux secteurs industriels, notamment pour les produits formulés comme les cosmétiques. En raison du grand nombre de combinaisons différentes d'ingrédients et de leurs niveaux d'utilisation, une question cruciale est de savoir comment définir un espace de recherche réduit en utilisant les connaissances disponibles. Pour cela, outre la prise en compte de certaines propriétés physico-chimiques essentielles du produit final, il est d'une importance capitale de tenir compte de la performance du produit telle que perçue par le consommateur final. Ici on a proposé une méthodologie pour trouver un ensemble de formulations plausibles de produits cosmétiques émulsifiés, basée sur une analyse intégrale floue des préférences du consommateur, intégrée à un outil d'optimisation d'entiers mixtes qui intègre des règles heuristiques disponibles et des modèles de propriétés. Deux études de cas d'émulsions cosmétiques ont été présentées pour illustrer la méthodologie. Dans un premier exemple utilisant des après-shampooings, les propriétés rhéologiques, texturales et microstructurales de neuf formulations alternatives, fabriquées en laboratoire, ont été mesurées pour valider la modélisation des produits émulsifiés. Ensuite, deux produits commerciaux de crèmes hydratantes ont été testés pour identifier les attributs les plus pertinents pour les consommateurs, en utilisant des mesures floues. Sur la base de cette évaluation, dix solutions, générées par ordinateur avec des coûts minimaux d'ingrédients ont également été fabriquées et évaluées, ce qui montre que la méthodologie proposée pourrait être bien adaptée pour accélérer les processus de reformulation ou d'étalonnage. En utilisant cette approche, les concepteurs de produits pourraient également estimer la pertinence et les interactions des attributs du consommateur et guider la conception d'autres produits formulés. Mots clés: Conception de produits, émulsions, cosmétiques