사례 연구: 화장품 R&D 및 소규모 배치 생산에 사용되는 소형 진공 균질 유화기
화장품 업계에서 R&D 연구소와 소규모 배치 생산 시설은 정밀성, 유연성, 일관성을 모두 갖춘 유화 장비를 필요로 합니다. 즉, 대규모 생산 조건을 재현하면서 소량의 재료를 처리할 수 있어야 합니다. 수동 믹서 또는 기본 유화 컵과 같은 기존의 소규모 유화 도구는 진공 기능, 균일한 전단력 및 공정 제어가 부족하여 샘플 품질의 불일치, 제형의 스케일 업 어려움, 비효율적인 소규모 배치 제조로 이어지는 경우가 많습니다. 이 사례 연구에서는 소형 진공 균질 유화기가 이러한 문제를 어떻게 해결하고, R&D 워크플로우를 최적화하며, 화장품 제형의 소규모 배치 생산 신뢰성을 향상시켰는지 객관적으로 자세히 설명합니다.
1. 배경 및 생산 과제
이 시설은 고급 페이셜 세럼, 크림 및 민감성 피부 제형에 중점을 두고 화장품 R&D 및 소규모 배치 맞춤화를 전문으로 합니다. 소형 진공 균질 유화기를 도입하기 전에는 R&D에는 기존 장비를, 소규모 배치 생산에는 기본 20L 유화 팟을 사용했습니다. 워크플로우 효율성과 제품 품질 안정성을 저해하는 지속적인 문제가 발생했습니다.
첫째, R&D 제형 재현성이 낮았습니다. 기존 교반기는 충분한 전단력과 진공 기능을 갖추지 못하여 샘플에서 불균일한 입자 크기(8-12 μm)와 잔류 기포가 발생했습니다. 이로 인해 제형 효능, 질감 및 안정성을 정확하게 평가하기 어려웠습니다. 이는 대규모 생산으로 확장하는 데 매우 중요합니다. 실험실에서 좋은 성능을 보인 제형이 파일럿 규모의 시험에서 품질 기준을 충족하지 못하는 경우가 많아 반복적인 조정이 필요했고, 시장 출시가 지연되었습니다.
둘째, 소규모 배치 생산에서 품질 변동이 발생했습니다. 기본 유화 팟은 정밀한 온도 제어와 균일한 균질화를 갖추지 못하여 점도, 질감 및 유화 안정성에 배치 간 변동이 발생했습니다. 히알루론산, 천연 추출물과 같이 깨지기 쉬운 활성 성분을 포함하는 민감성 피부 제형의 경우 과도한 전단 또는 산소 노출로 인해 성분 분해가 발생하여 제품 효능이 감소하고 재료 낭비가 증가했습니다.
셋째, 워크플로우 비효율성과 교차 오염 위험이 존재했습니다. 별도의 R&D 및 소규모 배치 장비는 제형을 수동으로 옮겨야 했으므로 오염 위험이 증가하고 샘플 특성이 변경되었습니다. 또한 공정 매개변수 기록이 없어 품질 문제의 근본 원인을 추적하기 어려웠고, 기본 유화 팟의 접근하기 어려운 부분을 청소하는 데 시간이 오래 걸려 하루에 처리할 수 있는 제형 수가 제한되었습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이 시설은 5-30L 배치를 처리하고, 진공 탈기, 균일한 균질화, 정밀한 공정 제어를 제공하며, R&D 및 소규모 배치 생산 모두와 호환되는 소규모 유화 솔루션을 찾았습니다. 기술 사양을 평가하고 파일럿 테스트를 수행한 후, 워크플로우에 통합하기 위해 30L 소형 진공 균질 유화기를 선택했습니다.
2. 장비 선택 및 기술 적응
이 시설의 R&D 및 소규모 배치 요구 사항에 맞춰 30L 소형 진공 균질 유화기는 소형 크기, 정밀성 및 확장성의 균형을 맞추도록 설계되었습니다. 주요 기술 기능 및 적응 사항은 다음과 같습니다.
핵심 균질화 및 진공 시스템
이 유화기는 최대 회전 속도 10,000rpm 및 선형 속도 42m/s의 이중 스테이지 로터-스테이터 균질화 헤드를 특징으로 합니다. 조절 가능한 로터-스테이터 간격(0.15-0.3mm)은 강렬한 전단, 캐비테이션 및 난류를 생성하여 오일 방울과 고체 입자를 미세 분산(2-4 μm)으로 효과적으로 분해합니다. 5.5kW 가변 주파수 드라이브(VFD) 모터를 통해 무단 속도 조절(1,000-10,000rpm)이 가능하여 전단 강도를 정밀하게 제어하여 깨지기 쉬운 활성 성분을 보호할 수 있습니다. 통합 진공 시스템은 -0.095~-0.098MPa의 안정적인 진공도를 유지하여 유화 중 기포를 제거하고 민감한 성분의 산화 분해를 최소화합니다.
소형 설계 및 재료 준수
전체 치수가 약 1200×800×1600mm이고 순중량이 350kg인 이 장비는 실험실 및 소규모 생산 공간에 적합합니다. 제품과 접촉하는 모든 부품은 316L 스테인리스 스틸로 제작되었으며, 재료 부착 및 교차 오염을 방지하기 위해 표면 거칠기 Ra ≤ 0.4 μm으로 전해 연마되었습니다. 분리 가능한 균질화 헤드와 매끄러운 챔버 내부는 쉬운 청소를 용이하게 하여 빈번한 제형 변경을 지원합니다. 이는 R&D 워크플로우에 매우 중요합니다.
정밀 제어 및 데이터 추적성
PID 온도 제어 시스템이 있는 재킷 챔버는 20-80℃ 사이의 공정 온도를 ±1℃의 정밀도로 조절하여 전기 가열 및 수냉을 모두 지원합니다. 이는 안정적인 유화 조건을 보장하고 열에 민감한 성분의 열 변성을 방지합니다. 이 장비에는 소형 PLC 터치스크린 제어 시스템이 장착되어 있어 주요 매개변수(균질화 속도, 진공도, 온도, 혼합 시간)를 실시간으로 모니터링하고 조정할 수 있습니다. 이 시스템은 최대 30개의 제형 매개변수 프로필을 저장하고 배치 데이터(처리 시간, 온도, 속도)를 자동으로 기록하여 R&D 문서화 및 소규모 배치 생산 추적성을 용이하게 합니다.
보조 혼합 및 다용도성
소규모 배치에서 균일한 재료 순환을 보장하기 위해 유화기에는 데드 코너를 제거하기 위해 챔버 벽을 긁는 저속 앵커형 교반기(50-300rpm, 0.75kW 모터)가 장착되어 있습니다. 고속 균질화와 저속 교반의 조합은 전체 배치 부피에서 일관된 유화를 보장합니다. 이 장비는 오일-워터(O/W) 및 워터-오일(W/O) 제형을 모두 지원하여 가벼운 세럼(점도 1,000-5,000mPas)에서 두꺼운 크림(점도 50,000-80,000mPas)까지 다양한 화장품에 적용할 수 있습니다.
3. 구현 및 공정 최적화
이 시설은 소형 진공 균질 유화기를 R&D 및 소규모 배치 생산 모두에 대한 통합 워크플로우에 통합하여 별도의 장비와 수동 샘플 이송의 필요성을 없앴습니다. 기술 팀은 세 가지 핵심 제형 유형(수분 공급 세럼(O/W), 안티에이징 크림(W/O) 및 민감성 피부 로션(저자극성 O/W))에 대한 매개변수를 최적화하기 위해 여러 배치 테스트를 수행했습니다.
파일럿 테스트 결과 제형별 최적 매개변수가 도출되었습니다. 히알루론산을 함유한 수분 공급 세럼의 경우 8,000rpm의 균질화 속도, -0.096MPa의 진공도, 35℃의 처리 온도 및 15분 유화 시간으로 균일한 입자 크기(2-3 μm)와 기포가 없는 가벼운 질감을 얻어 히알루론산 활성을 유지했습니다. 두꺼운 안티에이징 크림의 경우 9,000rpm의 더 높은 균질화 속도, 연장된 혼합 시간(25분) 및 간헐적 균질화(3분 켜짐, 1분 꺼짐)로 과도한 열 발생 없이 완전한 오일-워터 융합을 보장했습니다. 민감성 피부 로션의 경우 더 낮은 온도(30℃), 감소된 전단 속도(7,000rpm) 및 10분 유화 후 진공 유지를 통해 잔류 기포를 제거하고 성분 자극 가능성을 최소화했습니다.
최적화된 통합 워크플로우는 다음과 같습니다.
- 실험실 비커에서 원료를 전처리합니다(오일상 성분 용융, 수용성 부형제 용해, 추출물 여과), 지정된 온도로 예열합니다.
- 사전 처리된 재료를 사전 설정된 순서로 30L 챔버(유효 용량 25L)로 옮겨 공기 포집을 최소화합니다.
- 진공 시스템을 활성화하여 목표도(-0.095~-0.098MPa)에 도달하고 앵커 교반기를 시작하여 재료를 순환시킵니다.
- 사전 설정된 속도로 균질기를 활성화하고, 실시간 온도 및 질감 관찰을 기반으로 필요에 따라 조정합니다.
- 재킷 시스템을 통해 안정적인 온도를 유지한 다음, 부드럽게 교반을 계속하면서 제형을 25℃로 냉각합니다.
- 잔류 기포를 제거하기 위해 5분 동안 진공 유지를 연장한 다음, 모든 작업을 중지합니다.
- R&D의 경우: 효능 및 안정성 테스트를 위해 샘플을 수집합니다. 소규모 배치 생산의 경우: 완제품을 포장용 멸균 용기에 배출합니다.
이 워크플로우는 수동 이송 단계를 제거하고, 교차 오염 위험을 줄였으며, R&D 매개변수를 소규모 배치 생산에서 직접 복제할 수 있도록 했습니다. 분리 가능한 균질화 헤드와 매끄러운 챔버 설계로 청소 시간을 40% 단축하여 이 시설에서 하루에 최대 8가지 다른 제형을 처리할 수 있게 되었습니다. 이는 이전 용량의 두 배입니다.
4. 적용 결과 및 성능 개선
소형 진공 균질 유화기를 통합한 후, 이 시설은 R&D 효율성, 소규모 배치 생산 품질 및 워크플로우 지속 가능성에서 측정 가능한 개선을 달성했습니다. 모든 제형 유형에서 일관된 결과를 얻었습니다.
R&D 효능 및 확장성
제형 재현성이 획기적으로 향상되었습니다. 입자 크기는 2-4 μm으로 안정화되었고(이전에는 8-12 μm), 주요 매개변수(점도, pH, 입자 크기)의 배치 간 변동은 ±7%에서 ±2%로 감소했습니다. 이를 통해 제형 효능 및 안정성을 정확하게 평가할 수 있었고, 스케일 업 전에 필요한 반복적인 조정을 줄일 수 있었습니다. 대규모 생산 조건(진공, 전단력, 온도 제어)을 재현하는 장비의 능력으로 인해 파일럿 규모의 시험 성공률이 50%에서 85%로 증가하여 신제품의 시장 출시 기간을 30% 단축했습니다.
소규모 배치 생산 품질
소규모 배치 제품 품질이 크게 향상되었습니다. 모든 배치가 질감 및 안정성 기준을 충족했으며, 잔류 기포나 거친 입자가 감지되지 않았습니다. 유화 안정성이 향상되어 제품이 3개월의 가속 안정성 테스트(40℃±2℃, 상대 습도 75%±5%)를 상 분리 없이 통과했습니다. 부드러운 전단 제어는 활성 성분 효능을 유지하여 민감성 피부 제형에서 고객이 보고한 자극 발생률이 20% 감소했습니다. 자동화된 데이터 기록 시스템은 품질 추적성을 단순화하여 드문 품질 편차를 신속하게 식별하고 해결할 수 있었습니다.
워크플로우 효율성 및 비용 절감
워크플로우 효율성이 최적화되었습니다. 통합 R&D 및 소규모 배치 장비는 수동 샘플 이송을 제거하여 노동 시간을 35% 단축했습니다. 청소 시간이 40% 단축되었고, 제형 프로필을 저장하는 기능으로 반복적인 배치에 대한 설정 시간을 50% 줄였습니다. 재료 낭비가 60% 감소했습니다. 정밀한 공정 제어로 인해 성분 분해 및 배치 실패가 최소화되었고, 소형 챔버 부피로 인해 R&D 시험에서 남은 재료가 줄었습니다. 장비의 모듈식 설계 및 내마모성 부품으로 인해 유지 보수 비용이 낮았으며, 연간 유지 보수 요구 사항은 일상적인 청소 및 가끔의 씰 교체로 제한되었습니다.
규정 준수 및 유연성
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!