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스테롤 간소화. Arboris는 장기적 공장 관리를 위해 시스템 통합 사업자인 Control Southern과 손을 잡고 전자 마샬링 부품을 배치하여 인프라를 업데이트하고 단순화하였으며, 소나무 스테롤 제품 생산을 최적화했다.

소나무에서 식물스테롤(Phytosterols)을 추출하는 미국 Arboris사의 프로세스 개선 사례

Arboris사, Control Southern과 에머슨, 전자 마샬링으로 제어장치 업그레이드하고 생산 최적화를 실현

글: Tristan O'Brien, Wireless business leader of Control Southern Inc.

식물스테롤(Phytosterols)은 과일, 야채, 견과류와 나무 등에서 발견된다. 이미 100건 이상의 임상연구가 식물 스테롤과 함께 음식을 섭취하면 LDL(나쁜) 콜레스테롤 수치가 낮아진다는 사실을 입증했다. 이 콜레스테롤 감소와 심장 강화 기능 때문에 스테롤은 스프레드, 빵, 우유, 요거트, 주스 등에서 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. 마가린/ 스프레드 형태로 개발된 존슨앤존스(Johnson&Johnson)의 베네콜(Benecol), 유니레버(Unilever)의 테이크컨트롤(Take control) 등이 식물스테롤을 활용한 대표적인 기능성 식품이다.

최근 들어 제약시장에 변화가 생기면서 목재에서 추출하는 스테롤에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이 수요에 따라 도약을 준비하고 있는 기업이 바로 세계적인 소나무 스테롤 제조사 Arboris LLC이다. 조지아 주 서배너와 오하이오 주 뉴어크에 생산 공장을 둔 Arboris는 2004년에 가동을 시작해, 안정적인 가격으로 오랫동안 소나무 부산물의 원료를 공급하고 있다.

이 회사의 주력 제품은 유전자 변형이 없는 소나무에서 자연적으로 발생한 스테롤의 99% 순수 혼합물, Sterols AS-2이다. AS-2는 ISO 9001을 포함한 엄격한 품질기준에 따라 미국 조지아주에 있는 서배너(Savannah) 공장에서 제조되고, 뉴저지 주에 있는 뉴어크(Newark) 공장은 국제식품규격위원회(Codex Alimentarius Commission)의 식품위생의 일반원칙에 대한 국제권장실행규범 (Recommended International Code of Practice on the General Principles of Food Hygiene)을 따른다.

AS-2는 특정 식품의 사용에 있어 유럽위원회 신소재식품이사회(Novel Food Board of the European Commission)와 미국 식품의약국(Food and Drug Administration)과 캐나다 보건부의 승인을 받은 제품이다.

AS-2를 만드는 데 사용되는 원료는 목재를 목재 펄프로 바꾸고 펄프를 셀룰로오스 섬유로 정제하는 크라프트법의 부산물인 톨유 피치(TOP)다. 서배너 공장은 트럭, 궤도차, 파이프라인을 통해 수많은 소나무 화학 정제 공장으로부터 200°F에 가까운 짙고 검은 액상 TOP를 받는다. 처음부터 서배너 공장은 에머슨 프로세스 매니지먼트의 DeltaV로 거의 모든 생산 프로세스를 제어해 왔다.

첫 번째 단계는 TOP를 비누화하여 자유 스테롤과 유기염의 혼합물을 얻는 것이다. 스테롤이 농축된 유체는 증발 단계에서 남은 유기염과 분리한다. 뉴어크 공장으로 운송하기 전에 증류를 통해 스테롤을 좀 더 농축하여 고농축 스테롤을 얻어낸다. 뉴어크 공장에 도착한 다음에는 거의 완벽한 순도에 도달할 때까지 결정화, 여과, 건조, 필링(pilling) 과정을 거쳐 정제한다. 백색 밀랍 같은 입자를 500kg 초대형 부대, 100kg 섬유 드럼 또는 25kg 섬유 드럼에 담아 제약, 식품 및 화장품 제조사로 실어 보낸다.

수요 증가에 따른 생산 최적화

2012년초 스테롤 생산 부문에서의 독점적 위치를 지키기 위해 Arboris 경영진은 최근 생산 프로세스의 각 단계를 하나하나 고찰하고, 지속적으로 프로그램을 개선했다. 유전자 변형을 하지 않은 제품에 대한 수요가 Arboris의 발전을 이끄는 동력으로, 제약업계는 우리 스테롤을 코티손, 황체 호르몬, 호르몬 대체제 등을 만들기 위해 스테롤에 대한 새로운 수요를 만들어 내고 있었다.

수요 증가와 함께 생산 목표도 올라가고 플랜트 최적화와 신뢰성에도 관심이 집중되고 있는 상황에서 Arboris 는 두 가지 핵심성과지표가 있었다.

첫째는 처리량 증대였고, 둘째는 늘어나는 수요에 따라 확장되는 용량을 처리할 인프라 정비다.

Arboris플랜트는 Control Southern과 애틀란타에 있는 에머슨의 현지 비즈니스 파트너(LBP)와 협업하면서 플랜트에 대한 비전도 확장 시켰는데, 에머슨과 조지아 주 시스템 통합 사업자이자 유통업체인 Control Southern의 엔지니어링 관리 담당자가 프로세스를 최적화하기 위해 당장 실행할 수 있는 일들을 조목조목 짚어 주면서 플랜트 개선 활동이 가속화 되었다.

2013년 4월부터 Control Souther의 엔지니어는 Arboris운영자들과 제어실에서 많은 시간을 보내면서 현장에서 Arboris 운영자들이 궁금해 하던 문제를 해결해주고, 생산에 방해되는 일 없이 뒤에서 투명하게 일을 진행해 나갔다.

Control Souther의 엔지니어는 그 과정을 다음과 같이 이야기했다.

“프로세스를 제어하는 운영자들이 단순 모니터링에 시간을 너무 많이 쓰고 조정도 수동으로 하더군요. 자동으로 다 알아서 해주는 제어 시스템이 있는데 말이죠. 그래서 기존 프로그램을 살펴보고 그 점을 개선했죠. 제어 루프 튜닝도 하고, Cascade와 비선형 게인(non-linear gain)을 포함해 아직 활성화되지 않은 DeltaV 고급 제어 옵션 몇 가지도 추가했습니다. 증류(distillation) 공정에서 부터 시작해 증류, 진공, 기계적 분리, 원심분리, 유틸리티까지 서배너 공장의 거의 모든 제어 프로세스를 최적화했습니다.”

Delta V를 통한 증류 시스템의 최적화 작업으로 직접 손으로 만져야 돌아가던 시스템을 재구성하여 최적화함으로써, Cascade와 제어 장치도 원활하게 운영될 수 있었고, 운영자들의 스트레스를 줄일 수 있었다.

2014년 6월 플랜트 최적화가 완료된 후 안정적인 생산은 물론 불안정하거나 신뢰성 문제는 발생하지 않았다. 특히 재정적인 측면에서 Arboris에 6자리가 넘는 금액을 절감하는 성과를 얻었다. 공정에 특별한 변경을 하지 않으면서도 운영자들이 손으로 일일이 핵심 시설 파라미터를 제어하는 대신 다른 플랜트 운영에 집중할 수 있게 됐다.

미래를 위한 인프라 구축

2014년 8월, 플랜트에 대한 두 번째 비전, 플랜트 확장으로 주의를 돌렸다.

논리적인 출발점은 플랜트의 네트워크 통신이었다. 플랜트가 가동 된 이후 수많은 네트워크 통신 기술이 사용되었는데, 그 중에는Profibus와 AS-i, Foundation fieldbus도 있었다. 플랜트 확장을 위해 새로운 Rosemount 무선 게이트웨이를 포함시켜 현장의 802.15 무선 프로세스 디바이스와 DeltaV 시스템, 이더넷과 에머슨의 특성화 모듈(CHARM) 간에 통신을 도입했다.

CHARM I/O로 서배너 공장 어디서나 필드 배선 신호를 완결할 수 있는데, CHARM은 A/D 컨버터와 신호 특성화기(signal characterizer)가 현장배선으로 터미널 블록에 삽입된 단일 채널 요소다. CHARM을 설치하면 채널이 DeltaV 시스템의 제어기에 전자 마샬링으로 연결된다. 캐비닛 마샬링이나 교차 배선이 없고, 배선도 줄고, 일도 줄고, 오류를 일으킬 수 있는 포인트도 줄어든다. 전자 마샬링은 재설계나 재배선이 필요 없어 추가 비용이 들거나 플랜트 가동 일정을 바꿀 필요 없이 확장이 가능하다.

미래의 로드맵을 위한 엔지니어링

서배너 공장 팀은 새로운 I/O를 도입하면서 이 시스템을 지원해 줄 인프라를 결정하기 위해 다시 Control Southern과 손을 잡고 2014년 8월 엔지니어링 연구팀을 구성했다.

네트워크 인프라가 잘 구축되어 있는 환경에서 프로세스 제어 확대에 대한 연구는 현재의 상태를 특성화하고 성장을 위해 미래의 방향을 구체화하는 작업이었다.

I/O 인클로저(enclosure), IT, process control network design, fault-tolerant network design, 적절한 I/O 접지, 현장 계기를 위한 전력 접지 등과 같은 현장의 모범 실무 사례와 표준을 확인하는 작업이 이루어 졌다.

앞으로 5년간 엔지니어링 연구에서 나온 제안은 생산 프로세스를 방해하지 않으면서 여러 가지 단계로 실행될 예정이다.

에머슨과 Control Southern의 지원으로 Arboris는 ‘계획’을 할 수 있게 됐다. 꼭 필요한 캐비닛 공간이 얼마 만큼인지, 적합한 라이선스 요건은 무엇인지, 필요한 I/O는 몇 개인지 알게 됐다. 무엇이 필요한지 아는 만큼 일도 쉬워지고 입찰 비용도 절약됐다. 발주와 함께 잦은 변경 요청이 사라지고, 하청업체들도 어디서부터 시작해야 할지 쉽게 파악할 수 있었다.

덕분에 입찰 프로세스도 더 빨라지고 더 정확해졌다. 현장 설치도 빨라졌다.

서배너 공장을 최적화하고, 네트워크 인프라를 선택하고, 엔지니어링 연구를 완료함으로써 Arboris는 목재 기반 스테롤 공급자로서 훨씬 더 유리한 고지를 차지하게 됐다. 종업원 70명 규모의 소기업으로서 Arboris는 에머슨과 Control Southern와 같은 파트너와 협업하면서 변화를 빨리 확인하고 받아들이는 유연함을 가질 수 있게 됐다.

모든 플랜트 자동화 프로젝트가 그러하듯이 공정 개선을 위한 사전 작업은 사실 그다지 재미있거나 신나는 일은 아니다. 그러나 일단 선행 작업이 완결해 놓으면 그 결과는 자연히 따라오게된다. 계획이 참신하다면, 그 이후에는 계획을 실행하기만 하면 되는 것이다.

자료제공: 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트