사례 연구: 화장품 크림 생산에 사용되는 외부 순환 진공 유화기
화장품 업계에서 고품질 크림 및 유화 제품은 질감 균일성, 입자 크기 분포, 유화 안정성 및 기포 없는 외관에 대한 엄격한 관리가 필요합니다. 기존의 내부 순환 유화 장비는 대량 생산 시 재료 순환 부족, 불균일한 전단력 분포, 잔류 기포 등의 문제로 인해 제품 품질의 일관성이 떨어지고 생산 효율이 제한되는 경우가 많았습니다. 이 사례 연구에서는 외부 순환 진공 유화기가 대규모 화장품 크림 제조에서 이러한 핵심 과제를 어떻게 해결하고, 생산 공정을 최적화하며, 제품의 일관성을 향상시켰는지 자세히 설명합니다. 이는 홍보성 문구 없이 업계 표준 및 규제 요구 사항을 준수하여 객관적으로 제시됩니다.
1. 배경 및 생산 과제
이 생산 시설은 보습 크림, 안티에이징 크림, 자외선 차단 크림 등 프리미엄 화장품 크림의 대량 생산에 주력하고 있습니다. 장비 업그레이드 전, 이 시설은 기존의 내부 순환 진공 유화기에 의존했는데, 이는 장기간의 대량 생산 후 지속적인 문제를 야기하여 제품 품질 안정성과 생산 확장성을 저해했습니다.
첫째, 유화 균일성과 입자 크기 제어가 부실했습니다. 기존의 내부 순환 시스템은 재료 회전 효율이 제한되어 혼합 챔버 내에서 불균일한 전단력 분포를 초래했습니다. 이로 인해 일부 배치에서 불일치한 입자 크기(평균 10-15 μm)와 눈에 보이는 응집체가 발생하여 완성된 크림의 거친 질감과 좋지 않은 피부 감촉을 유발했습니다. 배치 간 입자 크기 분포(Span 값 >1.2)의 변동 또한 제품 효능과 소비자 경험에 영향을 미쳤습니다.
둘째, 잔류 기포와 산화 열화가 반복되는 문제였습니다. 내부 순환 설계는 고점도 재료에 갇힌 공기를 완전히 제거하는 데 어려움을 겪어 완성된 제품에 표면 다공성과 기포 형성을 유발했습니다. 또한, 유화 과정에서 부적절한 진공 유지로 인해 민감한 성분(예: 식물 추출물, 비타민 E)이 산소에 노출되어 산화 열화가 가속화되고 제품의 유통 기한이 단축되었습니다.
셋째, 생산 효율성과 확장성이 제한되었습니다. 내부 순환 시스템은 기본적인 균일성을 달성하기 위해 장시간의 유화 시간(배치당 40-50분)이 필요했으며, 챔버 설계는 실제 용량 활용률을 제한했습니다(공칭 부피의 60-70%에 불과). 재료 순환 조정을 위한 빈번한 수동 개입은 노동 강도와 배치 변동을 더욱 증가시켰습니다. 또한, 장비의 내부 순환 경로의 접근하기 어려운 부분을 청소하는 어려움은 서로 다른 제형 간의 교차 오염 위험을 높였습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이 시설은 정밀한 입자 크기 제어(≤5 μm), 완전한 기포 제거, 효율적인 대량 처리 및 화장품 업계 위생 기준(GMP, FDA) 준수를 달성할 수 있는 유화 솔루션을 모색했습니다. 다양한 유화기 유형에 대한 엄격한 파일럿 테스트와 기술 평가 후, 맞춤형 매개변수를 갖춘 외부 순환 진공 유화기가 생산 라인에 통합되도록 선택되었습니다.
2. 장비 선택 및 기술 적응
화장품 크림의 생산 요구 사항—고점도(8,000-80,000 mPas), 대량 배치 용량(배치당 1,000L), 엄격한 질감 기준 및 산소 민감성—을 고려하여 선택된 외부 순환 진공 유화기는 기존 장비의 한계를 해결하도록 맞춤화되었습니다. 주요 기술 기능 및 적응 사항은 다음과 같습니다.
핵심 외부 순환 시스템
이 장비는 혼합 챔버 바닥을 고효율 균질화 장치에 연결하고 재료를 챔버 상단으로 반환하는 전용 외부 순환 파이프라인 설계를 채택했습니다. 이 구조는 재료가 균질화 장치를 통해 8-10 m³/h의 유속으로 강제 순환하도록 하여 모든 재료가 전단 영역을 반복적으로 통과하도록 합니다(배치당 6-8 사이클). 내부 순환 시스템과 달리 외부 설계는 데드 볼륨을 제거하고 전체 재료 부피에 걸쳐 균일한 전단력 적용을 보장하여 불균일한 유화 문제를 해결합니다.
균질화 및 전단 성능
균질화 장치는 최대 회전 속도 12,000 rpm 및 선형 속도 45 m/s의 이중 단계 로터-스테이터 구조를 특징으로 합니다. 조절 가능한 로터-스테이터 간격(0.1-0.3 mm)은 강렬한 전단, 캐비테이션 및 난류를 생성하여 오일 방울과 고체 입자를 미세 분산(2-4 μm)으로 효과적으로 분해합니다. 45kW 가변 주파수 드라이브(VFD) 모터를 통해 무단계 속도 조절(1,500-12,000 rpm)이 가능하여 기술 팀이 열에 민감한 성분을 손상시키지 않고 다양한 크림 제형에 맞게 전단 강도를 조정할 수 있습니다.
진공 및 밀봉 설계
통합된 고효율 진공 시스템은 외부 순환 루프를 포함하여 생산 공정 전체에서 -0.096 ~ -0.098 MPa의 안정적인 진공도를 유지합니다. 챔버에서 균질화 장치로, 다시 돌아오는 전체 순환 경로는 이중 기계적 밀봉 및 식품 등급 불소 고무 개스킷으로 완전히 밀봉되어 공기 재유입 및 재료 누출을 방지합니다. 이 설계는 순환 중 철저한 탈기를 보장하여 잔류 기포를 제거하고 활성 성분의 산화 열화를 최소화합니다.
재료 및 위생 규정 준수
혼합 챔버, 외부 순환 파이프라인 및 균질화 장치 헤드를 포함한 모든 제품 접촉 구성 요소는 316L 스테인리스 스틸로 제작되었습니다. 표면은 전해 연마 처리를 거쳐 Ra ≤ 0.4 μm의 거칠기를 달성하여 재료 부착 및 바이오필름 형성을 방지합니다. 이 장비는 CIP(Clean-in-Place) 작업을 지원하며, 챔버, 순환 파이프라인 및 균질화 장치에 고압 세척 노즐이 설치되어 모든 접촉 표면을 철저히 청소하고 GMP 위생 요구 사항을 충족합니다.
온도 제어 및 자동화
PID 온도 제어 시스템이 있는 재킷형 혼합 챔버는 20-80℃ 사이의 공정 온도를 ±1℃의 정밀도로 조절하여 가열 및 냉각 기능을 모두 지원합니다. 이는 민감한 성분의 열 변성을 방지하고 안정적인 유화 매트릭스 형성을 보장합니다. 이 장비에는 PLC 터치스크린 제어 시스템이 장착되어 있어 주요 매개변수(균질화 속도, 순환 유량, 진공도, 온도)를 실시간으로 모니터링하고 조정할 수 있습니다. 이 시스템은 최대 50개의 제형 프로파일을 저장하여 원클릭 배치 전환 및 추적성을 위한 자동 데이터 기록을 용이하게 합니다.
3. 구현 및 공정 최적화
전면적인 생산 전에 기술 팀은 세 가지 핵심 크림 제형(유중수(O/W) 보습 크림, 수중유(W/O) 안티에이징 크림 및 고점도 자외선 차단 크림)에 대한 공정 매개변수를 최적화하기 위해 여러 배치 파일럿 테스트를 수행했습니다. 주요 목표는 목표 입자 크기, 유화 안정성 및 질감을 달성하기 위해 외부 순환 유량, 균질화 속도, 진공 수준 및 처리 시간의 최적 조합을 결정하는 것이었습니다.
파일럿 테스트 결과는 제형별 최적 매개변수를 산출했습니다. O/W 보습 크림의 경우 9 m³/h의 외부 순환 유량, 10,000 rpm의 균질화 속도, 40℃의 처리 온도 및 30분 유화 시간( -0.097 MPa 진공 하)으로 균일한 입자 크기 분포(2-3 μm, Span 값 ≤0.8)와 부드러운 질감을 얻었습니다. 고점도 자외선 차단 크림의 경우 7 m³/h의 감소된 순환 유량, 11,000 rpm의 더 높은 균질화 속도 및 연장된 진공 유지 시간(유화 후 10분)으로 잔류 기포를 제거하고 일관된 SPF 효능을 보장했습니다. 식물 추출물을 함유한 W/O 안티에이징 크림의 경우 더 낮은 온도(35℃)와 간헐적 균질화(5분 작동, 2분 정지)로 유화 안정성을 유지하면서 성분 활성을 보존했습니다.
이러한 결과를 바탕으로 생산 라인은 외부 순환 진공 유화기를 폐쇄 루프 워크플로우에 통합하도록 재구성되었습니다. 최적화된 공정은 다음과 같습니다.
- 원료를 전처리합니다(오일상 성분 용융, 수용성 부형제 용해, 추출물 여과) 및 지정된 온도로 예열합니다.
- 최적화된 상 첨가 순서(오일상 먼저, 물상 다음)에 따라 전처리된 재료를 폐쇄 파이프라인을 통해 1,000L 챔버로 옮겨 공기 포집을 최소화합니다.
- 진공 시스템을 활성화하여 목표 수준(-0.096 ~ -0.098 MPa)에 도달하고 외부 순환 펌프를 시작하여 재료 순환을 시작합니다.
- 사전 설정된 속도로 균질화 장치를 활성화하여 지정된 유화 시간 동안 재료가 전단 영역을 반복적으로 순환하도록 합니다.
- 재킷형 시스템을 통해 안정적인 온도를 유지한 다음, 균일한 냉각을 보장하기 위해 순환을 계속하면서 크림을 25℃로 냉각합니다.
- 잔류 기포를 제거하기 위해 5-10분 동안 진공 유지 시간을 연장한 다음 순환 및 균질화를 중지합니다.
- 완성된 크림을 폐쇄 파이프라인을 통해 다운스트림 충전 장비로 배출하여 생산 주기를 완료합니다.
이 최적화된 공정은 수동 재료 교반 및 유화 후 탈기 단계를 제거하여 모든 주요 작업을 단일 자동화된 워크플로우에 통합했습니다. 세척 검증 결과, CIP 시스템과 결합된 외부 순환 파이프라인 설계가 잔류 재료를 효과적으로 제거하는 것으로 확인되었습니다. 배치 간에 검출 가능한 오염 물질이 없었습니다(검출 한계: 0.1 μg/cm²).
4. 적용 결과 및 성능 개선
외부 순환 진공 유화기가 정식 생산에 투입된 후, 이 시설은 제품 품질, 생산 효율성 및 운영 비용에서 측정 가능한 개선을 달성했습니다. 모든 크림 제형에서 일관된 결과를 얻었습니다.
제품 품질 향상
입자 크기 제어가 획기적으로 개선되었습니다. 평균 입자 크기는 2-4 μm으로 안정화되었고 Span 값은 ≤0.9로 유지되어 거친 질감을 제거하고 부드럽고 크리미한 질감을 제공했습니다. 유화 안정성이 향상되었습니다. 모든 제품은 상 분리 또는 질감 변화 없이 6개월의 가속 안정성 테스트(40℃±2℃, 상대 습도 75%±5%)를 통과했습니다. 잔류 기포가 완전히 제거되어 제품 외관(균일한 광택, 다공성 없음)이 개선되고 활성 성분의 산화 열화를 줄여 유통 기한이 30% 연장되었습니다. 배치 간 일관성이 크게 개선되어 주요 품질 지표(점도, 입자 크기, pH)가 ±3% 이내로 변동했습니다. 이는 이전의 ±8% 변동에서 현저히 개선된 것입니다.
생산 효율성 최적화
배치 처리 주기가 45분에서 30분으로 단축되어 33% 감소했으며, 이 시설은 일일 생산량을 8 배치에서 12 배치(배치당 1,000L)로 늘릴 수 있었습니다. 외부 순환 설계는 실제 용량 활용률을 기존 장비의 65%에 비해 공칭 부피의 85%로 증가시켰습니다. 자동화된 제어 시스템은 수동 개입을 줄여 각 작업자가 두 개의 생산 라인을 동시에 모니터링할 수 있어 노동 강도를 40% 낮췄습니다. 제형 변경 시간 또한 2시간에서 45분으로 단축되어 유연한 생산을 지원했습니다.
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