I processi di bagnatura sono particolarmente impegnativi quando il liquido è altamente viscoso e la polvere ha particelle molto piccole.
Excursus: La reologia dei liquidi nell’ambito della miscelazione di polveri
In questo articolo del blog esamineremo un aspetto fondamentale dell'umidificazione delle polveri: l'influenza delle proprietà reologiche dei diversi liquidi sul risultato della miscelazione. La reologia determina in modo significativo il modo in cui un liquido scorre, come si comporta sotto sforzo di taglio e quanto è in grado di bagnare le particelle di polvere. Queste correlazioni hanno un effetto diretto sull'aspetto della polvere bagnata: sulla sua fluidità, sull'omogeneità della miscela, sulla tendenza alla formazione di agglomerati e sul mantenimento della forma e delle dimensioni originali delle particelle.
Per bagnare la polvere in modo omogeneo, tutte le particelle devono ricevere uno strato di liquido comparabile che corrisponda alla loro superficie specifica. L'obiettivo del processo di miscelazione è quindi quello di distribuire uniformemente sia piccole che grandi quantità di liquido sull'enorme superficie di contatto totale della polvere. Dopo il processo di miscelazione non devono essere presenti né zone eccessivamente umide né zone secche. La qualità ottenibile del prodotto è determinata in modo decisivo dall'interazione tra la dimensione definita delle gocce, una strategia di dosaggio precisa e un'energia di miscelazione adeguata. In questo contesto è vantaggioso conoscere bene le proprietà chimiche e fisiche del liquido di bagnatura.
Viscosità e dipendenza dalla temperatura
La viscosità dinamica η descrive la resistenza di un liquido al taglio o alla deformazione ed è un parametro fondamentale per il comportamento di miscelazione. Per molti liquidi a bassa e media viscosità, la dipendenza della viscosità dalla temperatura può essere descritta approssimativamente con un approccio di Arrhenius:
η(T) = η0 * exp ( Eη / (R * T) )
con
η … viscosità dinamica,
η0 … costante del materiale (viscosità alla temperatura di riferimento),
Eη … energia di attivazione del processo di scorrimento,
R … costante universale dei gas,
T … temperatura assoluta in Kelvin.
Con l'aumentare della temperatura, la viscosità della maggior parte dei liquidi organici diminuisce notevolmente, cosicché i componenti altamente viscosi come le lecitine, la melassa, il miele, le oleoresine o alcuni oli vegetali possono essere pompati, dosati con precisione e distribuiti nella camera di miscelazione più facilmente grazie a un moderato riscaldamento. In molti casi le variazioni di viscosità sono reversibili, ma nel caso di liquidi dalla struttura complessa (ad es. emulsioni, soluzioni zuccherine concentrate o sistemi a viscosità strutturale) i cambiamenti strutturali indotti termicamente o meccanicamente possono portare a effetti di isteresi, per cui il comportamento di scorrimento durante il riscaldamento e il raffreddamento non è identico.
Liquidi di generi diversi. Le variazioni di viscosità sono per lo più reversibili. Ma spesso con una notevole isteresi.
Influenza della tensione di taglio e della velocità di taglio
Per comprendere il comportamento nel miscelatore è fondamentale l'interazione tra la tensione di taglio τ e la velocità di taglio γ˙. La viscosità apparente può essere definita nel caso più semplice come
η = τ / γ˙
con
η … viscosità apparente
τ … tensione di taglio,
γ˙ … velocità di taglio.
Fluidi newtoniani
Nei fluidi newtoniani la viscosità è indipendente dalla velocità di taglio:
τ = η * γ˙, η = costante
Esempi tipici sono l'acqua, molti oli alimentari e soluzioni fortemente diluite. Il loro comportamento di scorrimento è lineare e facilmente calcolabile. La tensione superficiale può essere caratterizzata in modo affidabile. Non si verificano effetti viscoelastici. La viscosità varia solo con la temperatura.
Ciò rende i fluidi newtoniani particolarmente facili da controllare nei processi di miscelazione. Consentono una bagnatura riproducibile e uniforme, a condizione che il dosaggio e il tipo di aggiunta del fluido siano correttamente progettati.
Miscelatore a doppio albero aixon® per alimenti per animali (lotti da 16 m³).
Miscelatore a doppio albero amixon® con due rotori di taglio e lance per liquidi.
Il miscelatore conico amixon® è adatto alla miscelazione e alla bagnatura continua di detergenti.
Il miscelatore conico amixon® per lotti da 3 m³ è adatto alla miscelazione e alla bagnatura di preparati di spezie.
Fluidi pseudoplastici o pseudoplastici
I fluidi pseudoplastici o pseudoplastici mostrano una viscosità apparente decrescente all'aumentare della velocità di taglio. Il loro comportamento può essere spesso descritto dal modello di Ostwald-de-Waele o dal modello della legge di potenza. Questi fluidi sono generalmente molto facili da nebulizzare. Possono essere spruzzati con ugelli monomateriale o multimateriale (ugelli atomizzatori).
τ = K * γ˙n ; n < 1
con
γ˙ … velocità di taglio
K … indice di consistenza,
n … indice di fluidità (grado di fluidificazione).
Esempi di questo tipo sono il concentrato di pomodoro, molti gelificanti, soluzioni polisaccaridiche e numerose emulsioni. Nelle condizioni di elevato taglio locale nella camera di miscelazione, questi liquidi diventano più fluidi, il che ne facilita la distribuzione sulla superficie della polvere. Allo stesso tempo, rimangono sufficientemente viscosi allo stato di riposo per ridurre la sedimentazione o la separazione.
Il miscelatore conico amixon® raffigurato a sinistra miscela in modo continuo. È posizionato su celle di carico. Diverse polveri e un componente liquido vengono dosati gravimetricamente e convogliati nel miscelatore conico. Il rubinetto di scarico si trova nella parte inferiore. Scarica continuamente i prodotti miscelati, in modo che il grado di riempimento rimanga sempre costante. In questo modo le polveri vengono miscelate con estrema delicatezza e inumidite in modo uniforme. Il miscelatore continuo AMK 600 è progettato per una portata da 12 a 15 m³/h.
Fluidi dilatanti
Nei fluidi dilatanti, la viscosità apparente aumenta con l'aumentare della velocità di taglio. Sono quindi sensibili ai movimenti rapidi e alle elevate forze di taglio locali. Tali fluidi devono essere manipolati il più lentamente possibile e con uno stress di taglio minimo.
τ = K * γ˙n ; n > 1
Il comportamento di ispessimento al taglio è tipico delle sospensioni di amido e delle dispersioni altamente concentrate. Se questi materiali vengono trasportati rapidamente, la viscosità può aumentare improvvisamente. Nella pratica, si ottengono buoni risultati di miscelazione soprattutto quando il liquido ispessente al taglio viene introdotto in uno stato rilassato e a bassa viscosità in una zona di intensa turbolenza della polvere. Nel miscelatore di polveri viene così distribuito finemente prima che aumenti la viscosità dilatante.
Per la distribuzione continua di liquidi che aumentano la viscosità, è possibile utilizzare anche miscelatori ad anello. La camera di miscelazione è costituita da un tubo disposto orizzontalmente. Al suo interno ruota un utensile di miscelazione ad alta velocità. L'elevata frequenza di rotazione genera uno strato ad anello stabile di particelle di polvere compattate. In questa zona si verificano forti turbolenze e intense forze di taglio. I miscelatori ad anello non solo sono in grado di bagnare la polvere in modo omogeneo. Se il dosaggio del liquido è regolato correttamente, possono anche agglomerare il prodotto in modo uniforme.
Miscelatore a doppio albero amixon® per la lavorazione intensiva (lotti da 4 m³).
Rotore di taglio e rotore-statore per una disaggregazione particolarmente intensa.
Introduzione di materiale liquido: e) iniezione nel campo operativo dell'agitatore, f) nebulizzazione tramite introduzione di gas.
Centro tecnico: “Dosaggio gravimetrico senza pulsazioni di sostanze liquide spruzzabili”
Sviluppo di processi orientati alla pratica nel centro tecnico amixon®
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L'aggiunta di liquido deve essere adattata in modo ottimale alla consistenza della polvere e del liquido. Inoltre, è necessario adeguare la temperatura, la concentrazione e la formulazione. Altrettanto determinante è la sequenza definita di aggiunta delle sostanze. Anche l'intensità di miscelazione deve essere corretta, senza danneggiare il prodotto. A volte è consigliabile distribuire i liquidi nella polvere in modo graduale. Particolarmente efficaci sono i processi di miscelazione multistep, in cui le parti più fini della polvere avvolgono le particelle leggermente umidificate. In questo modo si legano le frazioni fini come la polvere. Ciò migliora la scorrevolezza, riduce l'esposizione alla polvere e stabilizza la tecnologia di confezionamento a valle.
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