사례 연구: 생산 성능 최적화를 위한 전단 혼합 유화제 장비 구현
소개
화장품, 의약품, 특수 화학제품 등 유화 제품의 배합에 의존하는 제조 산업에서는 철저한 성분 분산, 일관된 제품 질감, 효율적인 생산 주기를 달성하는 것이 시장 요구를 충족하는 데 필수적입니다. 여러 원료 구성 요소를 사용하여 복잡한 유화 제제를 만드는 데 중점을 둔 생산 시설의 경우 기존 혼합 시스템의 한계가 성장에 중요한 장벽이 되었습니다. 이러한 시스템은 안정적인 유화에 필요한 높은 전단력을 제공하는 데 어려움을 겪어 품질 불일치와 생산 지연으로 이어졌습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 시설에서는 전단 혼합 유화제 장비에 투자했습니다. 이 사례 연구는 문제점 식별부터 새 장비 구현까지 시설의 여정과 24개월 동안 관찰된 실질적인 개선 사항을 문서화합니다.
배경: 기존 혼합 시스템의 한계
전단 혼합 유화제 장비를 채택하기 전에는 기존 교반기와 저전단 혼합기를 사용하여 유화 제품을 준비했습니다. 이러한 시스템은 기본 혼합 작업에는 충분했지만 시설의 변화하는 요구 사항을 충족하지 못하여 다음과 같은 4가지 주요 과제가 발생했습니다.
- 부적절한 유화 안정성: 기존 믹서에서 발생하는 낮은 전단력으로 인해 유상과 수상의 완전한 분산이 방해되어 불안정한 에멀젼이 생성됩니다. 많은 배치에는 원하는 안정성을 달성하기 위해 추가 가공이나 첨가제가 필요했으며, 일부 제품은 보관 중에 분리되기도 하여 고객 불만이 발생하고 배치 거부율이 7~9%에 달했습니다.
- 처리 시간 연장: 저전단 혼합의 비효율성으로 인해 시설에서는 허용 가능한 유화 수준을 달성하는 데 배치당 평균 6시간이 소요되었습니다. 이렇게 긴 처리 시간으로 인해 시설의 일일 생산량이 5~7개 배치로 제한되어 대량 주문을 이행하거나 갑작스러운 수요 급증에 신속하게 대응하기가 어려웠습니다.
- 고성분 폐기물: 기존 시스템의 일관되지 않은 혼합 성능으로 인해 불량한 분산을 보완하기 위해 원료, 특히 유화제를 과도하게 사용하는 경우가 많았습니다. 또한, 불완전한 혼합으로 인해 혼합기에서 회수할 수 없는 제품 잔류물이 발생하여 원료 폐기물 비율이 12%에 달해 생산 비용이 크게 증가했습니다.
- 복잡한 청소 및 교차 오염 위험: 기존 믹서는 내부 구조가 복잡하고 접근하기 어려운 부분이 있어 배치당 최대 1시간이 소요되는 청소 작업이 시간이 많이 걸렸습니다. 더 나쁜 것은 이전 배치의 잔여 제품이 이러한 숨겨진 영역에 남아 있어 후속 배치에 대한 교차 오염 위험을 초래하는 경우가 있다는 것입니다. 특히 위생 표준을 엄격히 준수해야 하는 시설의 제약 및 화장품 제품 라인에 매우 중요합니다.
장비 선택 및 구현 계획
생산 요구 사항에 대한 심층 분석을 수행한 후 시설에서는 운영 유연성을 유지하면서 높은 전단력을 제공할 수 있는 혼합 기술을 평가하기 시작했습니다. 장비 선택의 주요 기준은 다음과 같습니다.
- 입자 클러스터를 분해하고 안정적인 유제 형성을 보장하기 위해 충분한 전단 에너지(kW/m3로 측정)를 생성하는 능력
- 시설의 제품 포트폴리오에 사용되는 다양한 원료 점도(500~10,000cP)와의 호환성
- 기존 생산 라인 및 제어 시스템과 쉽게 통합
- 빠른 청소를 촉진하고 교차 오염 위험을 최소화하는 설계 기능
- 장기적인 운영 비용을 절감하는 에너지 효율성
여러 장비 옵션을 엄격하게 평가한 후 이 시설에서는 다음 기능을 갖춘 전단 혼합 유화제 시스템을 선택했습니다.
- 효율적인 상 분산을 위해 최대 10,000s⁻²의 전단 속도를 생성할 수 있는 고속 회전자-고정자 어셈블리
- 다양한 제품 구성에 맞춰 가변 속도 제어(500-5,000RPM)
- 매끄러운 내부 표면, 탈부착 가능한 구성품, CIP(Clean-in-Place) 호환성을 갖춘 위생적인 디자인
- 실시간 프로세스 모니터링 및 매개변수 조정을 위해 시설의 기존 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템과 통합
- 가공 중 성분 증발 및 오염을 방지하기 위한 폐쇄형 혼합 챔버
전단 혼합 유화제 장비의 구현은 생산 중단을 최소화하기 위해 구조화된 4단계 계획을 따랐습니다.
1단계: 현장 준비 및 인프라 업그레이드
이 시설에서는 먼저 자세한 현장 평가를 수행하여 새 장비를 위한 최적의 위치를 결정했습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 장비의 무게(약 1,200kg)를 지탱할 수 있는 바닥 하중 능력 평가
- 필요한 전원 공급 장치(480V, 3상)를 제공하기 위한 전기 시스템 업그레이드
- CIP 시스템 및 원료 공급을 위한 추가 배관 라인 설치
- 장비의 모터에서 발생하는 열을 수용하도록 시설의 환기 시스템을 수정합니다.
2단계: 운영자 교육 및 기술 개발
성공적인 장비 채택이 작업자의 숙련도에 달려 있다는 사실을 인식한 이 시설에서는 생산 팀을 위한 포괄적인 교육에 투자했습니다. 장비 공급업체와 협력하여 개발된 교육 프로그램에는 다음이 포함됩니다.
- 전단 혼합, 유제 과학 및 장비 기능의 원리에 대한 강의실 세션
- 시동 절차, 매개변수 조정 및 종료 프로토콜을 다루는 장비 실습 교육
- 모터 과열, 압력 변동, CIP 시스템 오작동 등 일반적인 문제를 해결하기 위한 문제 해결 워크숍
- 적절한 잠금/태그아웃(LOTO) 절차, 개인 보호 장비(PPE) 사용 및 비상 대응에 초점을 맞춘 안전 교육
3단계: 파일럿 테스트 및 프로세스 최적화
장비 성능을 검증하고 프로세스 매개변수를 개선하기 위해 시설에서는 3개월 간의 파일럿 테스트를 실시했습니다. 이 단계 동안:
- 팀은 시설에서 가장 일반적으로 생산되는 5가지 제제를 사용하여 전단 혼합 유화제를 테스트했습니다.
- 로터 속도, 혼합 시간, 성분 공급 순서 등의 매개변수를 조정하여 에멀젼 안정성과 제품 품질을 최적화했습니다.
- 각 파일럿 배치의 샘플은 입자 크기 분포(동적 광산란 사용), 점도(회전 점도계 사용) 및 저장 안정성(가속 노화 테스트를 통해)에 대해 시설의 품질 관리 실험실에서 분석되었습니다.
- 결과를 기존 혼합 시스템으로 생산된 배치의 결과와 비교하여 새로운 장비가 일관되게 우수한 성능을 제공했음을 확인했습니다.
4단계: 전면적인 통합 및 전환
성공적인 파일럿 테스트 후, 시설에서는 전단 혼합 유화제를 생산 라인에 전면적으로 통합하는 작업을 진행했습니다. 단계적 전환 접근 방식이 채택되었습니다.
- 첫 달 동안 공급의 연속성을 보장하기 위해 새로운 장비를 기존 믹서와 병행하여 운영했습니다.
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