고체-액체 혼합 장벽 극복: 산업용 고체-액체 유화제 도입 사례 연구
서론
피부 관리 크림에서 제약 연고에 이르기까지 균일한 고체-액체 제형에 의존하는 산업에서 고체 입자를 액체 기질에 일관되게 분산시키는 것은 중요하지만 종종 어려운 단계입니다. 고성능, 소비자 대상 제품 개발에 주력하는 한 제조업체의 경우, 기존의 고체-액체 혼합 방식이 성장에 심각한 장애물이 되었습니다. 불완전한 입자 분산, 긴 공정 주기, 높은 재료 폐기물과 같은 문제는 제품 품질을 저하시켰을 뿐만 아니라 회사의 생산 규모 확장 능력을 제한했습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 이 조직은 신뢰할 수 있는 분산, 운영 효율성 및 유연성을 제공할 수 있는 기술을 우선시하여 특수 산업용 고체-액체 유화제 시스템에 투자했습니다. 이 사례 연구는 제조업체의 여정을 문서화합니다. 주요 과제를 식별하는 것부터 유화제 솔루션을 구현하고 18개월 동안 장기적인 영향을 측정하는 것까지.
배경: 기존 고체-액체 혼합의 한계
고체-액체 유화제를 도입하기 전에 제조업체는 패들 믹서와 고전단 믹서를 조합하여 고체 성분(분말, 왁스 및 활성 화합물 포함)을 액체 기질(오일, 물 및 유화제 등)에 혼합했습니다. 이 설정은 10년 이상 사용되었지만, 특히 제품 제형이 더 복잡해지고 생산량이 증가함에 따라 회사의 진화하는 요구 사항을 따라가는 데 어려움을 겪었습니다. 주요 과제는 다음과 같습니다.
1. 불완전하고 일관성 없는 분산
기존 믹서는 응집된 고체 입자를 완전히 분해하지 못하는 경우가 많아 액체 기질 전체에 고르지 않은 분산이 발생했습니다. 이로 인해 두 가지 중요한 문제가 발생했습니다.
- 눈에 보이는 입자: 완제품 배치의 약 12-15%에 작은 미분산 고체 입자가 포함되어 회사의 품질 표준을 준수하지 못하고 재처리 또는 폐기가 필요했습니다.
- 가변 활성 성분 농도: 고르지 않은 분산은 활성 화합물(제품 효능에 중요)이 균일하게 분포되지 않음을 의미했습니다. 실험실 테스트 결과 동일한 배치의 서로 다른 부분에서 활성 성분 농도가 최대 18%까지 변동하는 것으로 나타났으며, 이는 제품 성능과 소비자 신뢰에 위험을 초래했습니다.
2. 연장된 공정 주기
2단계 혼합 공정(패들 혼합 후 고전단 혼합)은 시간이 많이 소요되었습니다. 표준 2,000리터 배치의 경우 이 공정에는 다음이 필요했습니다.
- 고체와 액체를 사전 혼합하기 위한 60-75분 패들 혼합(고체가 믹서 벽에 달라붙는 것을 방지하기 위해 수동 스크래핑이 자주 수행됨).
- 분산을 개선하기 위한 45-60분 고전단 혼합.
배치당 총 사이클 시간은 3시간을 초과하여 생산 라인에 병목 현상을 일으켰습니다. 피크 수요 기간 동안 제조업체는 초과 근무를 해야 했으며, 이는 인건비를 추가하고 작업자 피로 관련 오류의 위험을 증가시켰습니다.
3. 높은 재료 폐기물 및 재작업 비용
불완전한 분산과 배치 변동성은 상당한 재료 폐기물을 초래했습니다. 평균적으로 각 생산 실행의 10-12%가 재처리되거나(배치당 추가 2-3시간의 추가 노동 투입) 완전히 폐기되었습니다. 고가 성분(특수 활성 화합물 등)의 경우 이러한 폐기물은 연간 65,000달러 이상의 손실로 이어졌습니다. 또한 재처리는 회사의 품질 관리 팀에 부담을 주어 사전 테스트에서 문제 해결으로 자원을 전환했습니다.
4. 복잡한 제형에 대한 제한된 유연성
제조업체가 고체 함량이 높은 제형(최대 35% 고체)과 온도에 민감한 성분을 포함하도록 제품 라인을 확장함에 따라 기존 믹서는 더욱 효과가 떨어졌습니다. 높은 속도로 고전단 혼합하면 과도한 열이 발생하여 온도에 민감한 활성 물질이 분해되고 액체 기질의 점도가 변경되었습니다. 이로 인해 회사는 제품 포트폴리오를 제한하고, 고마진의 복잡한 제형 개발 기회를 거부하게 되었습니다.
솔루션: 고체-액체 유화제 선택 및 구현
다양한 장비 모델의 벤치 규모 테스트를 포함하여 혼합 기술에 대한 6개월간의 평가를 거친 후 제조업체는 고점도, 고체 제형용으로 설계된 산업용 고체-액체 유화제 시스템을 선택했습니다. 이 시스템의 주요 기능은 회사의 특정 과제를 해결하도록 맞춤화되었습니다.
1. 고급 분산 메커니즘
유화제는 고전단과 제어된 난류를 결합한 특수 “입자 분해 챔버”가 있는 이중 로터-스테이터 설계를 특징으로 했습니다. 이 설계는 다음을 수행할 수 있었습니다.
- 응집된 고체를 5미크론(제조업체의 목표인 10미크론보다 훨씬 작음)까지 작은 입자로 분해.
- 고체가 침전되거나 장비 벽에 달라붙는 것을 방지하는 일관된 흐름 패턴을 생성하여 균일한 분산을 보장.
2. 통합 온도 및 점도 제어
온도에 민감한 성분을 보호하기 위해 시스템에는 다음이 포함되었습니다.
- 과열 없이 최적의 혼합 온도를 유지하기 위한 정밀 온도 조절(±1°C) 기능이 있는 재킷형 혼합 챔버.
- 점도가 증가할 때 혼합 속도를 자동으로 조절하는 실시간 점도 센서(열 축적 방지) 및 분산을 유지하기 위해 필요한 경우 전단 증가.
3. 자동화된 공정 관리
유화제에는 제조업체가 다음을 수행할 수 있는 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템이 장착되었습니다.
- 다양한 제형에 대한 맞춤형 혼합 프로파일을 저장하고 호출(수동 조정 제거 및 배치 간 일관성 보장).
- 설정값에서 벗어나는 경우 알림과 함께 주요 매개변수(온도, 압력, 혼합 속도 및 분산 품질)를 실시간으로 모니터링.
- 규정 준수 목적으로 공정 데이터 기록(제조업체의 산업에서 규제 요구 사항을 충족하는 데 중요).
4. 확장 가능하고 청소가 용이한 설계
이 시스템은 500리터에서 3,000리터까지의 배치 부피를 처리하도록 설계되어 소규모 R&D와 대규모 생산을 모두 지원합니다. 또한 CIP(Clean-in-Place) 시스템을 갖추어 기존 믹서의 경우 90분에서 30분으로 청소 시간을 단축하여 배치 간 가동 중지 시간을 최소화했습니다.
구현 프로세스
고체-액체 유화제의 구현은 생산 중단을 최소화하기 위해 구조화된 단계별 접근 방식을 따랐습니다.
1단계: 사전 설치 평가(2개월)
유화제 공급업체의 엔지니어는 제조업체의 생산 및 유지보수 팀과 협력하여 다음을 수행했습니다.
- 기존 생산 라인 레이아웃을 평가하고 새로운 장비를 수용하도록 수정(배관, 전기 시스템 및 자재 취급 조정 포함).
- 초기 혼합 프로파일을 만들기 위해 중요한 제형 요구 사항(고체 함량, 입자 크기 목표 및 온도 제한 등)을 식별.
- 장비 조립, 분해 및 일상적인 유지보수 절차에 대한 유지보수 직원을 교육.
2단계: 파일럿 테스트(3개월)
제조업체는 가장 어려운 세 가지 제형(고체, 온도에 민감한 제품 및 고활성 성분 제품)을 사용하여 일련의 파일럿 테스트를 실행했습니다. 주요 목표는 다음과 같습니다.
- 유화제가 목표 입자 크기 및 분산 균일성을 달성할 수 있는지 확인.
- 사이클 시간과 재료 폐기물을 최소화하기 위해 혼합 매개변수(속도, 온도 및 체류 시간) 최적화.
- 시스템 작동, 프로파일 프로그래밍 및 문제 해결에 대한 생산 작업자 교육.
파일럿 테스트 중에 팀은 고체 제형의 로터-스테이터 간격을 수정하는 등 사소한 조정을 수행하여 성능을 개선했습니다. 이 단계가 끝날 무렵, 세 가지 파일럿 제형 모두 품질 표준을 충족하거나 초과했으며, 감지 가능한 입자가 없고 일관된 활성 성분 분포를 보였습니다.
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