고전단 혼합, 분산, 유화 장비 적용 사례
복잡한 다상 물질(고체 분말, 유상, 수상 및 보조제 포함)을 생산할 때 혼합, 분산 및 유화 공정의 통합은 제품 균일성, 미세성 및 장기 안정성을 보장하는 핵심입니다. 반고체 및 액체 제품을 제조하는 생산 시설은 한때 재료의 복합 가공에서 심각한 병목 현상에 직면했습니다. 기존의 다중 장비 분할 처리 모드는 생산 효율성이 낮고 제품 품질이 불안정하며 운영 비용이 높습니다. 고전단 혼합, 분산 및 유화 장비를 도입한 후 이 시설은 이러한 문제를 근본적으로 해결하고 생산 성능, 제품 일관성 및 비용 제어 측면에서 상당한 개선을 달성했습니다.
배경 및 사전 업그레이드 과제
이 시설은 주로 일일 생산량이 200~300톤에 달하는 다성분 제품을 생산하며, 입자 크기 분포와 유제 안정성을 엄격하게 제어해야 하는 응용 분야를 포괄합니다. 장비를 업그레이드하기 전에 시설은 예비 혼합을 위한 공통 믹서, 고체 분말 분산을 위한 분산기, 유수상 유화를 위한 단일 기능 유화제 등 분할 처리 모드를 채택했습니다. 이 3단계 분할 프로세스는 생산 주기를 연장했을 뿐만 아니라 일련의 두드러진 문제도 가져왔습니다.
- 혼합, 분산 및 유화 효과의 통합 불량: 서로 다른 장비 간의 시너지 효과가 부족하여 각 가공 링크에서 재료가 균일한 상태를 달성할 수 없었습니다. 예비 혼합 후, 고체 분말 응집체(초기 입자 크기 40-80μm)는 완전히 부서지지 않았습니다. 분산 중에 입자가 액상에 고르지 않게 분포되었습니다. 후속 유화 공정에서는 분산된 고체 입자와 유수상을 완전히 융합하지 못했습니다. 최종 제품의 평균 입자 크기는 5~10μm였으며, 보관 30일 후 유수 분리율은 10~13%에 달해 제품 사용성에 심각한 영향을 미쳤다.
- 생산주기가 길고 효율성이 낮음: 분할 프로세스는 서로 다른 장비 간에 자재를 반복적으로 이송해야 했으며, 각 이송 프로세스에는 15~20분이 소요되었습니다. 단일 배치(5톤)에 대한 총 처리 시간은 60~70분이었고, 공정 간 대기 시간으로 인해 장비 가동률은 75%에 불과했습니다. 또한, 이송 과정에서 자재 손실(손실률 2~3%)이 발생해 원자재 소모도 증가했다.
- 배치 간 품질 변동이 큼: 분할 처리 모드는 다양한 장비의 매개변수를 조정하기 위해 수동 작업에 의존했으며 혼합, 분산 및 유화 링크 간의 매개변수 일치를 표준화하기가 어려웠습니다. 배치 간 핵심 품질 지표(입자 크기 분포, 점도, 안정성)의 변동 계수(CV)가 16~22%에 도달해 완제품 적격성 평가율이 83~86%에 불과했습니다. 많은 수의 부적격 제품을 재작업하거나 폐기해야 하므로 생산 비용이 증가합니다.
- 높은 에너지 소비 및 유지 관리 비용: 3개 세트의 장비가 동시에 작동하며, 일일 평균 전력 소비량은 380kWh입니다. 각 장비에는 자주 교체해야 하는 독립적인 취약 부품(예: 믹서 블레이드, 분산 디스크, 유화제 고정자-로터)이 있었습니다. 월간 유지관리 비용은 약 9,000위안이었고, 유지관리로 인한 장비 가동 중단 시간은 월 8~10시간에 달했습니다.
- 이송 중 재료 오염 위험: 재료 이송 과정에서 파이프라인, 밸브, 이송 용기와의 접촉이 필요했고, 이들 부품의 데드 코너는 철저하게 청소하기 어려웠습니다. 이전 배치의 잔여 재료는 후속 재료를 오염시킬 가능성이 높았으며, 특히 위생 요건이 높은 제품의 경우 오염으로 인해 부적격 제품의 위험이 증가했습니다.
장비 선택 및 핵심 구성
위의 문제를 해결하기 위해 이 시설은 전통적인 분할 처리 방식을 버리고 통합 기능을 갖춘 고전단 혼합, 분산 및 유화 장비를 선택했습니다. 이 장비는 혼합, 분산, 유화를 하나의 장치로 통합하여 재료를 이송하지 않고 원스톱 처리를 실현합니다. 분할 처리의 문제점을 해결하기 위해 핵심 구성과 기술적 특성이 설계되었으며, 주요 구성은 다음과 같습니다.
1. 통합 다기능 작업 헤드
장비는 세 가지 기능 모듈을 통합하는 결합된 작업 헤드 구조를 채택합니다.고속 분산 디스크,다단 전단 고정자-회전자그리고입체적인 혼합 패들. 분산 디스크(직경 220mm)는 800-3500rpm의 속도로 회전하며, 이는 고체 분말의 큰 덩어리를 빠르게 분해할 수 있습니다. 다단계 전단 고정자-로터(3단계, 전단 간격 0.06-0.2mm)는 3000-12000rpm의 속도 범위를 가지며 최대 80,000s⁻²의 전단 속도를 생성하여 유수상의 완전한 융합과 입자의 추가 정제를 실현합니다. 3차원 혼합 패들(속도 50-200rpm)은 탱크 내 재료의 전반적인 균일성을 보장하고 국부적인 언더프로세싱을 방지합니다. 모든 기능 모듈은 부식에 강하고 청소가 쉬운 경면 연마 처리(표면 거칠기 Ra ≤ 0.8μm)된 316L 스테인리스 스틸로 만들어졌습니다.
2. 정밀한 매개변수 제어 시스템
장비에는 터치스크린 작동 인터페이스를 갖춘 PLC 지능형 제어 시스템이 장착되어 있어 혼합 속도, 분산 속도, 유화 속도, 처리 시간 및 재료 온도에 대한 독립적이고 연결된 제어를 실현할 수 있습니다. 속도 제어 정확도는 ±10rpm, 시간 제어 정확도는 ±1초, 온도 제어 범위는 0~100℃(변동 정확도 ±1.5℃)이다. 시스템은 80개 세트의 프로세스 매개변수 저장을 지원하므로 다양한 제품 및 배치의 매개변수 설정을 표준화하여 수동 작업으로 인한 품질 변동을 피할 수 있습니다. 또한 시스템은 처리 프로세스 중에 매개변수 곡선을 자동으로 기록하여 프로세스 최적화 및 품질 추적을 위한 신뢰할 수 있는 데이터 지원을 제공합니다.
3. 자재 이송이 없는 폐쇄형 탱크 구조
이 장비는 용량 5000L(작업 용량 4000L)의 폐쇄형 수직 탱크 구조를 채택하여 재료 이동 없이 동일한 탱크에서 혼합, 분산 및 유화의 모든 공정을 완료할 수 있습니다. 탱크 본체에는 공정 요구 사항에 따라 재료의 가열 또는 냉각을 실현할 수 있는 재킷형 온도 제어 장치가 장착되어 고속 전단 및 분산 중 온도 상승으로 인한 재료 열화를 방지합니다. 탱크 커버는 수압으로 들어 올려 공급, 청소 및 유지 관리가 편리하며 탱크 본체의 밀봉 성능은 GMP 및 식품 안전 표준의 요구 사항을 충족합니다.
4. 에너지 절약 및 내마모성 설계
장비는 처리 단계(혼합을 위한 저전력, 분산 및 유화를 위한 고전력)에 따라 전력 출력을 조정할 수 있는 주파수 변환 에너지 절약 모터를 채택하여 유휴 에너지 소비를 줄입니다. 작업 헤드는 내마모성 코팅(텅스텐 카바이드 코팅)을 채택하여 취약한 부품의 수명을 연장합니다. 윤활 시스템은 무독성이며 생산 요구 사항과 호환되는 H1 등급 식품 안전 윤활유를 사용하며 윤활유 교환 간격은 8000 작동 시간으로 연장됩니다.
5. CIP 자동 청소 시스템
이 장비에는 탱크 커버와 탱크 본체 내부에 설치된 청소 노즐을 포함하는 CIP(Clean-In-Place) 자동 청소 시스템이 장착되어 있습니다. 세척 노즐은 세척제를 360도 방향으로 분사하여 탱크 본체와 작업 헤드의 모든 내부 표면을 덮을 수 있습니다. 청소 과정은 20~30분 내에 완료될 수 있어 사각지대가 제거되고 재료 교차 오염의 위험이 줄어듭니다. 세척 효과는 식품, 화장품 및 제약 산업의 위생 요구 사항을 충족합니다.
구현 프로세스 및 프로세스 최적화
장비를 사용한 후 시설은 4개월간 시범 운영과 공정 최적화를 실시했습니다. 기존의 3단계 분할 프로세스를 1단계 통합 처리 프로세스로 조정했으며 주요 구현 단계 및 최적화 조치는 다음과 같습니다.
1. 프로세스 통합 및 매개변수 교정
이 시설에서는 매개변수 보정을 위해 6가지 일반적인 제품 공식(고형분 함량, 고점도 및 유수 이중상 특성을 갖춘 제품 포함)을 선택했습니다. 각 공식에 대해 혼합, 분산 및 유화 링크의 최적 매개변수 조합이 반복 테스트를 통해 결정되었습니다. 30% 고체 분말과 25% 오일상을 함유한 제품을 예로 들면 최적의 매개변수는 다음과 같이 결정됩니다: 수상과 보조제의 예비 혼합을 위한 혼합 속도 100rpm(소요 시간 5분); 고체 분말 덩어리를 분해하기 위한 분산 속도 2800rpm(지속 시간 10분); 오일-수상 융합 및 입자 정제를 위한 유화 속도 9000rpm(지속 시간 15분); 및 제품 시스템 안정화를 위한 최종 혼합 속도 80rpm(5분 지속). 이 매개변수 조합 하에서 제품의 평균 입자 크기가 1.2~2.0μm로 감소하고 유화 안정성이 크게 향상되었습니다.
2. 배치 재현성 검증
각 제품에 대한 최적의 매개변수를 결정한 후 시설에서는 배치 재현성 검증을 수행했습니다. 각 공식에 대해 저장된 매개변수 설정을 사용하여 12개의 연속 샘플 배치가 생성되었습니다. 테스트 결과, 배치 간 핵심 품질 지표의 변동 계수(CV)가 16~22%에서 2~4%로 감소하고 완제품 적격성 비율이 99% 이상으로 증가한 것으로 나타났습니다. 이는 통합 장비와 표준화된 매개변수 설정이 배치 간 품질 변동이 큰 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 검증했습니다.
3. 생산공정 합리화
통합 처리 모드는 서로 다른 장비 간의 재료 전송 링크를 제거했습니다. 단일 배치 처리 시간이 60~70분에서 35~40분으로 단축되고, 처리 효율이 약 40% 향상됐다. 밀폐형 탱크 구조로 인해 재료 손실률이 2~3%에서 0.5% 미만으로 감소되어 원자재 소모량이 대폭 감소되었습니다. 또한 단일 생산 라인에 필요한 작업자 수가 3명에서 2명으로 줄어들어 인건비를 절감하는 동시에 생산 효율성을 향상시켰습니다.
4. 세척 공정 최적화
CIP 자동 청소 시스템은 원래 수동 청소 모드를 대체했습니다. 배치당 세척 시간이 40~50분에서 20~30분으로 단축되었으며, 세척 효과도 더욱 안정적이었습니다. 자재 오염으로 인한 부적격 제품 발생 건수를 월 2~3회에서 분기당 0~1회로 줄여 제품 품질의 안정성을 더욱 향상시켰습니다.
응용효과 및 데이터 분석
정식 가동 8개월 후, 고전단 혼합, 분산 및 유화 장비는 제품 품질 향상, 생산 효율성 향상, 에너지 소비 및 유지 관리 비용 절감 등의 놀라운 결과를 달성했습니다. 장비 업그레이드 전후의 구체적인 데이터 비교는 다음과 같습니다.
1. 제품 품질의 획기적인 개선
완성된 제품의 평균 입자 크기는 5~10μm에서 1.0~2.5μm로 줄어들었고, 다분산지수(PDI)는 0.18 이하로 제어돼 제품의 미세성과 균일성이 크게 향상됐다. 보관 중 제품의 유수 분리율은 10~13%에서 보관 60일 후 1.5% 미만으로 감소하고 제품 안정성이 크게 향상되었습니다. 위생 요건이 높은 제품의 경우, 총 콜로니 수를 10 CFU/g 이하로 안정적으로 관리하여 업계에서 가장 엄격한 위생 기준을 충족시켰습니다. 완제품 적격성 평가율은 83~86%에서 99.3%로 증가하여 기본적으로 재작업 및 폐기물 처리 비용이 제거되었습니다.
2. 생산 효율성의 획기적 향상
단일 배치 처리 시간이 40% 단축되었고, 동일한 작업 시간(1일 20시간)에서 일일 생산 능력이 200~300톤에서 350~400톤으로 늘어났습니다. 장비 가동률을 75%에서 95%로 높이고, 공정 문제나 장비 고장으로 인한 돌발 가동 중단 건수도 월 3~4회에서 월 0~1회로 줄었다. 자재 이송 링크가 제거되어 하루 2~3시간의 이송 시간이 절약되고 생산 연속성이 향상되었습니다.
3. 에너지 소비 및 비용의 효과적인 절감
장비의 주파수 변환 에너지 절약 설계로 일평균 전력 소비량을 380kWh에서 240kWh로 36.8% 감소시켜 연간 51,100kWh의 전력을 절감했다. 작업 헤드의 내마모성 설계와 윤활유 교환 간격 연장으로 월 유지 관리 비용이 9,000위안에서 3,200위안으로 줄어들고 연간 유지 관리 비용이 약 69,600위안 절약되었습니다. 재료 손실률이 1.5~2.5%포인트 감소해 연간 약 8%의 원자재 비용이 절감됐다. 종합 비용(에너지, 유지 관리, 원자재, 인건비)이 매년 약 12% 감소했습니다.
4. 오염 위험 감소 및 운영 안전성 향상
밀폐형 탱크 구조와 CIP 자동 세척 시스템으로 자재 이송 및 수동 세척으로 인한 오염 위험을 제거했습니다. 제품 오염 사고가 90% 이상 감소했으며, 생산 안전성과 신뢰성이 크게 향상되었습니다. 장비에는 다양한 안전 보호 기능(과부하, 과열, 과압 보호)이 장착되어 있어 이상이 발생하면 자동으로 종료되어 장비 손상 및 개인 안전 사고를 방지할 수 있습니다. 유압식 리프팅 탱크 커버와 단순화된 작동 프로세스로 작업자의 노동 강도가 줄어들고 작업 안전성이 향상되었습니다.
5. 프로세스 확장성 강화
장비의 매개변수 저장 및 호출 기능을 통해 다양한 제품 공식 간을 쉽게 전환할 수 있습니다. 신제품 개발의 경우 동일 장비에서 소규모 배치 테스트를 통해 최적의 공정 변수를 신속하게 결정하고, 해당 변수를 대량 생산에 직접 적용할 수 있어 신제품 개발 주기가 30~40% 단축됩니다. 장비의 기술 매개변수는 파일럿 규모 및 산업 규모 생산과 호환되므로 시설의 향후 생산 확장을 위한 안정적인 지원을 제공합니다.
주요 경험 및 운영 노트
적용 과정에서 시설은 고전단 혼합, 분산 및 유화 장비의 안정적인 작동을 보장하고 통합 성능을 최대한 활용하기 위해 일련의 주요 경험과 운영 노트를 요약했습니다.
- 서로 다른 기능 모듈 간의 매개변수 일치가 중요합니다. 고점도 재료의 경우 먼저 혼합 속도를 적절하게 높여 균일한 재료 흐름을 보장한 다음 장비 과부하 및 재료 튀는 것을 방지하기 위해 분산 및 유화 속도를 점진적으로 높여야 합니다.
- 공급 순서는 가공 효과에 큰 영향을 미칩니다. 다상 재료의 경우 연속상(예: 수상)을 먼저 추가한 다음 교반하면서 분산상(예: 오일상)과 고체 분말을 추가하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 국부적인 응집을 방지하고 분산 및 유화의 균일성을 향상시킬 수 있습니다.
- 작업헤드의 정기적인 점검과 유지보수는 필수입니다. 분산 디스크, 고정자 및 회전자의 마모 상태는 작동 시간 400시간마다 점검해야 합니다. 마모량이 0.5mm를 초과하거나 표면이 심하게 긁힌 경우 가공 효과를 보장하기 위해 취약한 부품을 적시에 교체해야 합니다.
- CIP 세척 시스템은 표준화된 방식으로 사용해야 합니다. 각 배치 생산 후에는 정해진 절차에 따라 세척 공정을 엄격히 수행해야 하며, 배치 간 교차 오염을 방지하기 위해 정기적으로 세척 효과(예: 잔류 물질 감지)를 검사해야 합니다.
- 열에 민감한 재료의 경우 가공 중 온도를 엄격하게 제어해야 합니다. 재킷형 온도 조절 장치를 사용하여 재료를 냉각할 수 있으며, 과도한 온도 상승으로 인한 활성 성분의 손실이나 재료 열화를 방지하기 위해 처리 시간과 속도를 적절하게 조정해야 합니다.
- 운영자는 전문적인 교육을 받아야 합니다. 장비를 작동하기 전에 작업자는 장비의 구조, 작동 원리 및 매개변수 설정 방법을 숙지하고 작동 오류를 방지하기 위해 작동 절차를 엄격히 따라야 합니다.
요약
고전단 혼합, 분산 및 유화 장비를 적용하면 시설의 전통적인 분할 처리 모드로 인해 발생하는 처리 효과가 낮고 생산 효율성이 낮으며 품질 변동이 크고 운영 비용이 높은 문제를 근본적으로 해결했습니다. 혼합, 분산 및 유화 기능을 하나의 장치에 통합함으로써 장비는 재료의 원스톱 처리를 실현하고 재료 전달 링크를 제거하며 제품의 균일성과 안정성을 보장합니다.
장비의 정밀한 매개변수 제어 시스템은 생산 공정을 표준화하고, 수동 작업이 제품 품질에 미치는 영향을 줄이고, 제품의 배치 재현성을 향상시킵니다. 에너지 절약 및 내마모성 설계와 CIP 자동 청소 시스템은 시설의 운영 비용 및 유지 관리 작업량을 줄일 뿐만 아니라 생산의 안전 및 위생 수준을 향상시킵니다.
혼합, 분산 및 유화의 통합 처리가 필요한 다성분, 다상 재료와 관련된 생산 시나리오의 경우 고전단 혼합, 분산 및 유화 장비는 신뢰할 수 있는 선택입니다. 제품 품질과 생산 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 운영 비용과 위험을 줄여 시설의 지속 가능한 개발을 위한 견고한 기술 지원을 제공합니다. 표준화된 운영, 정기적인 유지 관리 및 지속적인 프로세스 최적화를 통해 장비는 생산에서 더 큰 역할을 할 수 있으며 시설이 점점 더 엄격해지는 시장 품질 요구 사항에 적응하는 데 도움이 됩니다.
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!