19/02/2026
🌪️ วิชามารวิศวกรรมการปั่น: ทำไมสูตร Lab ที่ว่าแน่ ถึงแพ้ภัย "Tip Speed" ในโรงงาน? 🧪⚙️
เคยสงสัยไหมครับว่าทำไม R&D ทำสูตรปั่นในบีกเกอร์เนื้อเนียนกริบ เลยรีบส่ง Master formula ไปให้ฝ่ายผลิต แต่พอลงถัง 500 ลิตรกลับได้ "หายนะ" กลับมาแบบครีมแยกชั้นยังกับน้ำอบไทย แชมพูฟองท่วมถัง หรือเจลเหลวเป็นน้ำ? บางคนโทษสูตร บางคนโทษคนคุมเครื่องมั่งหล่ะ ชั่งสารผิดมั่งหล่ะ สุดท้ายวนกลับมาโทษ R&D ว่าตั้งสูตรมายังไง?
แต่ช้าก่อน! ปัญหาที่แท้จริงมักซ่อนอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Tip Speed" และ พลศาสตร์ของไหล (Fluid Dynamics) ครับ วันนี้ อ.สายฮา ขอแชร์ข้อมูลแบบไม่ยุ่งยาก และเข้าใจง่ายๆ เพื่อใช้เป็นแนวทางในการปฏิบัติหน้าถัง...เอ้ย..หน้างานจริง ให้คุณเข้าใจว่าทำไมการหมุนของใบพัดถึงเป็นเรื่องคอขาดบาดตายขนาดนี้! 👇
ก่อนจะลุยกันต้องบอกก่อนว่า การใช้ Constant Tip Speed (V_lab = V_prod) เป็นเพียง "แนวทางหนึ่ง" (Rule of Thumb) ที่นิยมใช้ที่สุดในวงการเครื่องสำอาง ซึ่งเป็นกลุ่มที่ "บอบบาง" กับแรงเฉือน (Shear Sensitive) แต่ในความเป็นจริง การ Scale-up คือ การบริหารจัดการ "ความขัดแย้ง" ของตัวแปรไร้มิติ (Dimensionless Numbers) ที่มันมักจะยุ่งยาก ยุ่งเหยิง หยุบหยับ เพราะในความเป็นจริงเมื่อถังผสมใหญ่ขึ้น เราไม่สามารถทำให้ทุกค่าเท่าเดิมพร้อมกันได้ เราต้อง "เลือก" ว่าจะรักษาค่าไหนไว้ครับ....มาแนวรักพี่ เสียดายน้องเลยทีเดียว......ปวดกบาลหนักมาก ทำไมถึงบอกว่ามัน คือ "การเลือก"? ในทางวิศวกรรมเคมี (Chemical Engineering) เรามีตัวแปรไร้มิติสำคัญๆ ที่ใช้ในการ Scale-up ตัวดังๆ ประมาณนี้ครับ
ตัวแรกที่คุ้นเคยกันดี คือ Reynolds Number (Re) หรือ ตัวคุม "รูปแบบการไหล" (Laminar/Turbulent) สมการหาเอาในอินเตอร์เน็ตได้นะครับ Concept คือ เราต้องการให้ Re ของในแลปเท่ากับในถังใหญ่ หรือ คงรูปแบบการไหลเหมือนเดิม ดังนั้นรอบปั่น (N) ที่คำนวณได้มัน มักเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ (ต้องใช้รอบปั่นต่ำเตี้ยเรี่ยดิน หรือ สูงเวอร์จนเครื่องพัง และเครื่องสำอางบางประเภทมีการเปลี่ยนแปลงความหนืดตลอดกระบวนการ (Non-Constant μ) (ดังนั้นเรามักไม่ใช้เกณฑ์นี้ในการ Scale-up เครื่องสำอาง และมีความยุ่งยากในการคำนวณ)
ตัวที่สอง คือ Power per Volume (P/V) ซึ่งเป็นตัวคุม "กำลังการผสมและการแขวนลอย" Concept คือ การรักษาการกระจายตัว/แขวนลอยไว้ให้เท่าเดิม ถ้าใช้เกณฑ์นี้ Tip Speed ในถังใหญ่จะสูงกว่า Lab เล็กน้อย (เนื้อครีมอาจได้รับแรงเฉือนมากเกินไป) จึงเหมาะกับงานหมัก (Fermentation) ตกตะกอนเคมี หรือ การละลายสารเคมี
ตัวที่แนะนำ คือ Tip Speed (πDN) หรือตัวคุม "แรงเฉือนสูงสุด" (Max Shear Rate) นี่คือพระเอกของเครื่องสำอาง โดยมี Concept คือ การรักษาแรงเฉือนให้เท่าเดิม (เนื้อเนียนเหมือนเดิม) เพราะกลุ่มอิมัลชั่นและเจล กลัวแรงเฉือนมากที่สุด เราเลยยอมแลกเรื่องอื่นเพื่อรักษาค่านี้ไว้….Intro พอแล้วลุยยย
1. กับดักของความเร็วรอบ: RPM vs Tip Speed
ขอเริ่มจาก "กับดักตัวร้ายกับเจ้าชายปั่นไว" ที่หลายคนพลาด คือเรามักยึดติดกับค่า RPM (รอบต่อนาที) จากใน Lab แล้วพยายาม Copy ไปใช้กับถังใหญ่ ซึ่งผิดหลักวิศวกรรมเต็มๆ ครับ! เพราะหัวใจของการขยายกำลังการผลิต (Scale-up) ไม่ใช่ RPM แต่คือ "ความเร็วปลายใบพัด" หรือ Tip Speed (m/s) ลองจินตนาการตามสูตรฟิสิกส์ง่ายๆ ครับ:
V=0.0000524×D×N
โดย V = Tip Speed (เมตร/วินาที), D = เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด (มม.), N = รอบการหมุนต่อนาที (RPM)
ถ้าคุณว่างพอจะมุดไปดูในถังผลิต จะเห็นว่ายิ่งถังใหญ่และใบพัดกว้างขึ้น ค่า Tip Speed จะยิ่งพุ่งสูงขึ้น (ให้เรานึกถึงเรายืนบนแผ่น twist ขนาดเท่าจานข้าว กับไปยืนบนแผ่นหมุนขนาดใหญ่ ยิ่ง Diameter มากตรงปลายจะยิ่งโดนเหวี่ยงแรงสุดๆ แม้ว่าความเร็วรอบจะเท่ากัน) ดังนั้นถ้าเราฝืนใช้ RPM เท่าเดิม ตอนขยายขนาด จะเกิดแรงเฉือน (Shear Rate) ที่โหดร้ายมากจนทำลาย Emulsion หรือทำให้โครงสร้างโพลิเมอร์พังยับเยิน ดังนั้นเราต้องคำนวณ RPM ใหม่ โดยรักษา Tip Speed ไว้ให้คงที่ (Constant Tip Speed) เช่น 10-20 m/s สำหรับครีม แต่ต้องแลกมาด้วย Mixing Time ที่นานขึ้น (ต้องปั่นนานขึ้น เพราะรอบหมุนช้าลง) เพื่อให้สูตรจาก Lab ไปสู่ถังใหญ่ได้เนียนกริบเหมือนเดิมครับ
2. ปัจจัยที่กำหนดชะตาชีวิต (Variables Matter)
รู้ไหมครับว่าอะไรทำให้ Tip Speed เปลี่ยนแปลงมากที่สุด? นั่นก็ คือ เส้นผ่านศูนย์กลาง (Diameter - D)พระเอกตัวจริงที่ส่งผลถึง 70%! แค่ใบพัดใหญ่ขึ้นนิดเดียว Tip Speed ก็พุ่งแล้ว ดังนั้นถังใหญ่จึงต้องลดรอบลงเสมอ ส่วนในเรื่องรูปทรงใบพัด ใบพัดแต่ละแบบให้ผลลัพธ์ต่างกัน เช่น Propeller (เน้นกระจาย), Anchor (เน้นกวาด), หรือ Rotor-Stator (เน้นตัด) การเลือกใบพัดผิดชีวิตเปลี่ยนทันที!
3. เจาะลึกรายผลิตภัณฑ์: วิชามารในการปรับจูนให้ตรงจุด
กลุ่มครีม/โลชั่น (Emulsion):
ร้อนต้องแรง เย็นต้องเบา ช่วง Emulsification เราต้องเอาชนะแรงตึงผิวระหว่างน้ำกับน้ำมันด้วยพลังงานจลน์มหาศาลจากหัว Homogenizer เพื่อสร้าง Droplet ระดับไมครอน ใน Lab เราอาจปั่นที่ 3,000-10,000 RPM เพื่อให้ได้ Tip Speed ที่พอดี แต่พอเป็นโรงงานถังใหญ่ เราลดเหลือแค่ 1,000-3,000 RPM (บวกกับ Bottom Homogenizer และระบบ Recirculation ผ่าน Narrow Gap) ก็เพียงพอที่จะสร้างแรงเฉือนเท่ากันแล้ว
พอเข้าช่วง Cooling พอเนื้อครีมเริ่มเย็น พฤติกรรมการไหลจะเปลี่ยนจาก Newtonian (ไหลง่าย) เป็น Non-Newtonian (หนืดหนับ) ช่วงนี้ถ้าปั่นแรงเกินไปจะดึงอากาศเข้าเนื้อ (Air Entrainment) แถมการถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer) จะแย่เพราะเนื้อไม่เกาะผนังถังเย็น จึงต้องสลับมาใช้ใบพัด Anchor (สมอ) ที่ RPM ต่ำมาก (Lab: 50-150 / โรงงาน: 20-50 RPM) ทำหน้าที่เป็น Scraper กวาดเนื้อให้เย็นทั่วถึงโดยไม่รบกวนผลึกครีม เนื้อจึงเซตตัวเนียนและไม่เป็นฟองน้ำครับ
กลุ่มแชมพู/สบู่เหลว (Surfactant): สงครามฟองสบู่(ไม่แตก)
ย้ายมาที่กลุ่มสารชำระล้าง ปัญหาหลัก คือ เรื่อง Rheology (การไหล) ที่มีความหนืดต่ำ แต่เกิดฟองง่ายมากจากความปั่นป่วน (Turbulence) ที่ผิวน้ำ หลักวิศวกรรมจึงสั่งให้ยึดการไหลแบบราบเรียบ หรือ Laminar Flow เสมอ และระวังไม่ให้เกิด Vortex ลึกจนดึงอากาศลงไป ในระดับ Lab อาจใช้ความเร็วรอบอยู่แถว 50-300 RPM พอขึ้นถังใหญ่ระดับโรงงาน ก็ปรับลดลงเหลือ 20-150 RPM ก็เพียงพอ(ใช้ Propeller) สิ่งที่ต้องระวังก็ คือ Cavitation (โพรงอากาศหลังใบพัด) เนื่องจากถ้าเราดันเผลอปั่นแรงไป เกิดฟองในเนื้อจะแก้ยาก ไม่ก็รอกันเป็นวันๆ กว่าฟองจะเริ่มยุบ (ไม่สนุกแน่ๆ) โรงงานส่วนใหญ่จึงใช้ระบบ Vacuum 0.8 bar ซึ่งช่วยลดฟองได้ถึง 70%
กลุ่มเจล/เซรั่ม (Carbomer): โพลิเมอร์ขี้ใจน้อย
จุดที่น่าเบื่อในการทำของกลุ่ม Carbomer ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ที่ Sensitive ต่อแรงเฉือน (Shear) สุดๆ ของการทำผลิตภัณฑ์กลุ่มนี้ คือ ช่วง Dispersion (โปรยผง) ช่วงนี้ต้องการการไหลแบบ Turbulent Flow รุนแรง (Lab: 800-1,500 RPM) เพื่อสร้าง Vortex ดึงผง Carbomer ให้จมและกระจายตัว ก่อนที่มันจะจับตัวเป็นก้อน Fisheye หรือ หน้าตาเหมือนเม็ดสาคูไส้หมู.....หิวแหละดูออก
ส่วนช่วง Neutralization (ปรับ pH) พอเราหยดด่างปรับค่า pH ปุ๊บ น้ำใสๆ จะเปลี่ยนร่างเป็นวุ้นทันที ซึ่งทันทีที่โมเลกุลคลายตัวเป็นร่างแห 3D เพื่อกักเก็บน้ำ ความหนืดจะพุ่งสูงปรี๊ดดดด จังหวะนี้ถ้ายังมัวแต่ยืนเม้าหน้าถังและใช้ High Shear ต่อไป ใบมีดจะไปตัดสายโซ่โมเลกุล (Polymer Chain Scission) ทำให้เจลเหลวถาวร (Permanent Viscosity Loss) ความหนืดอาจหายไปถึง 30%! ในทางปฏิบัติให้ลด RPM ทันที (Lab: 100-400 / โรงงาน: 50-200 RPM) เพื่อกวนเบาๆ แบบ "Fold" ส่วนผสมให้เข้ากัน (Carbomer 940 ทนได้ 15 m/s แต่รุ่น Ultrez 20 จะพังถ้าเกิน 10 m/s) เทคนิค คือ Pre-hydrate ด้วย High-speed Disperser ให้เสร็จก่อน แล้วค่อย Neutralize ช้าๆ เจลจะใสปิ๊งไร้ฟองครับ
⏳ 4. ตัวแปรลับที่ถูกลืม: "เวลา" (Mixing Time Adjustment)
นี่คือจุดตายที่คนทำ Scale-up พลาดบ่อยที่สุด! เมื่อเรายึดกฎ Constant Tip Speed แปลว่าในถังใหญ่ "รอบปั่น (RPM) จะลดลงอย่างมาก" ส่งผลให้การไหลเวียนของเนื้อครีม (Turnover Rate) ช้าลงตามไปด้วย ดังนั้น เมื่อปั่นช้าลง...ก็ต้องปั่นให้นานขึ้น หมายความว่ายังไง ถ้าคุณใช้เวลาปั่น 5 นาทีเท่าใน Lab แต่รอบหมุนช้ากว่ากัน 10 เท่า ของในถังใหญ่จะยังไม่ทันผสมเข้ากันดีเลยครับ!
วิธีคำนวณเวลาเบื้องต้น:
t_prod = t_lab x (N_lab / N_prod)
(เวลาผลิตจริง = เวลาในแลป x (รอบในแลป / รอบผลิตจริง))
เช่น ถ้า Lab ปั่น 5 นาที (3,000 RPM) แล้วในโรงงานเราปั่นที่ 500 RPM เวลาที่ต้องใช้ คือ 5 x (3000/500) = 30 นาที ครับ! วิธีนี้เป็น Conservative Estimation (เผื่อเหลือเผื่อขาด) ค่าที่ได้มักจะนานเกินความจำเป็นเล็กน้อย แต่มั่นใจได้ว่าผสมทั่วถึงแน่นอน แต่หน้างานจริงมักจะใช้เวลาประมาณ 60-70% ของที่คำนวณได้ ก็เพียงพอแล้ว เช่น: คำนวณได้ 30 นาที ลองตั้งเวลาจริงที่ 20 นาที แล้วเช็คเนื้อ ถ้าได้ก็จบครับ
บทส่งท้าย ย้ำตัวใหญ่ๆๆ อย่าเชื่อ "เครื่องคิดเลข" จนลืมมอง "ของจริง" 🚧
สุดท้ายนี้ ขอย้ำตัวโตๆ ว่า... ข้อมูลและสูตรคำนวณทั้งหมดนี้เป็นเพียง "Guideline (แนวทางเบื้องต้น)" ตามหลักสากลเท่านั้นนะครับ! ในกระบวนการผลิตจริง ยังมี "ตัวแปรซ่อนเร้น" ทางวิชาการอีกมากมายที่ สูตรเดียวเอาไม่อยู่ เช่น
ความแตกต่างของสูตร (Formulation Rheology): สูตรครีมแต่ละตัวมีความหนืด (Viscosity) และพฤติกรรมการคืนตัว (Thixotropy) ไม่เหมือนกัน สูตร A อาจชอบปั่นแรง แต่สูตร B ปั่นแรงแล้วเหลวเป็นน้ำ
รูปทรงถัง (Tank Geometry): ถังก้นนูน, ก้นเรียบ, หรือการมีแผ่นกั้น (Baffles) ล้วนส่งผลต่อการไหลเวียนของของเหลวทั้งสิ้น
ตัวแปรไร้มิติ (Dimensionless Numbers): วิศวกรขั้นสูงยังต้องดูค่า Reynolds, Weber, หรือ Froude Number เพื่อวิเคราะห์ความปั่นป่วนที่แม่นยำกว่านี้
ดังนั้น "การคำนวณคือเข็มทิศ แต่หน้างานคือสนามรบ" ครับเมื่อลงไลน์ผลิตจริง ต้องอาศัยการ ปรับจูนหน้างาน (Fine-tuning) เสมอ ต้องคอยสังเกตพฤติกรรมของเนื้อครีม ฟังเสียงเครื่อง และที่สำคัญที่สุดคือ "ห้ามข้ามขั้นตอน Pilot Scale" ที่ระดับ 50L - 200L เด็ดขาดนะครับ เพื่อความปลอดภัยของทั้งสูตรและเครื่องจักรครับ!
#อาจารย์สายฮา #สอนทำเครื่องสำอาง
