Quali criteri parlano a favore di un essiccatore-miscelatore conico o di un reattore conico, quando le polveri devono essere contemporaneamente miscelate ed essiccate?
Un essiccatore-miscelatore conico o un reattore conico è particolarmente indicato quando un prodotto in polvere, umido o umido di solvente deve essere omogeneizzato, temperato ed essiccato sotto vuoto nello stesso apparecchio chiuso. Determinanti non sono solo la resa di essiccazione, ma anche la sensibilità del prodotto, le variazioni reologiche durante l'essiccazione, i requisiti di pulizia, lo svuotamento residuo, la gestione del solvente e l'integrazione di processo desiderata.
Prodotti idonei
Un essiccatore-miscelatore conico è particolarmente vantaggioso con polveri, granulati, cristalli, sospensioni e prodotti intermedi sensibili alla temperatura, di elevato valore o critici dal punto di vista della contaminazione. Sotto vuoto diminuisce la temperatura di ebollizione dell'acqua o dei solventi organici. L'evaporazione può quindi avvenire a temperature di prodotto nettamente inferiori rispetto alla pressione atmosferica. Ciò riduce la sollecitazione termica di principi attivi, prodotti chimici fini, prodotti intermedi organici, cristalli sensibili o polveri reattive.
Anche i prodotti sensibili al taglio depongono a favore di un sistema conico. Un organo di miscelazione a bassa velocità, che lavora vicino alla parete, genera un movimento tridimensionale del prodotto: il prodotto viene sollevato nella zona esterna, nella zona centrale scende nuovamente e torna nella zona di miscelazione attiva. In questo modo il prodotto può essere ricircolato in modo uniforme, senza essere sottoposto continuamente a forti sollecitazioni da urto, proiezione o schiacciamento. Ciò è rilevante quando si vogliono limitare rottura dei cristalli, abrasione, formazione di fini, distruzione di coating o un'alterazione della distribuzione granulometrica.
Una domanda importante per la scelta riguarda l'evoluzione della reologia lungo tutto l'andamento dell'essiccazione. Molti prodotti cambiano stato in modo marcato: una sospensione inizialmente pompabile può, con l'aumento del contenuto di solidi, diventare viscosa, formare fasi appiccicose o pastose, sviluppare temporaneamente grumi coesi e trasformarsi infine in una polvere secca e scorrevole. Un essiccatore-miscelatore conico idoneo deve gestire queste transizioni senza formazione permanente di depositi a parete, zone non miscelate o picchi di temperatura inammissibili. Gli essiccatori-miscelatori-reattori sottovuoto vengono progettati proprio per materiali umidi e viscosi e per gradi di riempimento diversi; la combinazione di movimento di miscelazione e trasmissione indiretta del calore può stabilizzare la transizione da stati umidi a secchi.
Prestazioni di miscelazione ed essiccazione
Un essiccatore-miscelatore conico è adatto quando trasmissione di calore e materia devono essere rinnovate in continuo durante l'essiccazione. Il mantello del recipiente viene temperato; a seconda dell'esecuzione possono essere temperabili anche coperchio, albero, bracci di miscelazione ed elica. Ciò mette a disposizione superfici di trasmissione del calore aggiuntive in tutto il volume di prodotto. Il prodotto in miscelazione non deve toccare queste superfici solo puntualmente, ma in modo continuo. Il ricircolo continuo del prodotto rinnova il contatto sulla parete e sull'organo di miscelazione e limita la formazione di strati di prodotto isolanti. Utensili di miscelazione riscaldati e recipienti a doppia parete possono così favorire tempi di essiccazione più brevi e una distribuzione più uniforme di temperatura e umidità.
L'essiccatore è particolarmente adatto quando si devono evitare surriscaldamento locale, formazione di crosta, formazione di grumi o umidità residua disomogenea. Durante l'essiccazione le zone umide del prodotto vengono portate ripetutamente a contatto con le superfici temperate, mentre il materiale più secco viene ricondotto nel movimento del prodotto. Nelle fasi intermedie critiche, pastose o coesive, può essere necessario un utensile di disagglomerazione aggiuntivo. Deve disgregare i grumi solo quanto necessario, affinché calore e vuoto possano nuovamente agire su una superficie di prodotto attiva più ampia.
È importante avere un'aspettativa realistica sul tempo di essiccazione. Questo non è determinato solo dalla superficie di riscaldamento, ma da livello di vuoto, tensione di vapore del solvente, capacità del condensatore, coefficiente di trasmissione del calore, grado di riempimento, velocità di giro, reologia, superficie delle particelle, quota di grumi e temperatura di prodotto ammessa. Proprio con prodotti che presentano una fase intermedia appiccicosa, la progettazione dovrebbe quindi avvenire tramite prove di essiccazione con il prodotto originale.
Integrazione di processo
Un essiccatore-miscelatore conico o un reattore conico offre vantaggi quando più fasi di processo devono essere eseguite senza travaso. In un apparecchio chiuso possono susseguirsi, a seconda dell'esecuzione e della ricetta, miscelazione, sospensione, reazione, cristallizzazione, termoregolazione, evaporazione, disagglomerazione, essiccazione sotto vuoto e raffreddamento. L'eliminazione dei trasferimenti tra reattore, cristallizzatore, filtro ed essiccatore può ridurre perdite di prodotto, rilascio di polvere, ingresso di umidità, ossidazione e contaminazione crociata. Processi combinati di reazione, essiccazione e vuoto in un unico recipiente vengono descritti come un vantaggio essenziale di tali concetti impiantistici.
Quando si lavorano solventi organici, l'esercizio sottovuoto in sistema chiuso è particolarmente interessante. Il flusso di vapori può essere convogliato attraverso filtri e condensatori. Il solvente condensato può essere raccolto, trattato, riutilizzato o smaltito in modo controllato. Il recupero del solvente riduce le emissioni e può migliorare l'economicità, soprattutto con solventi costosi o rilevanti dal punto di vista ambientale.
L'apparecchio dovrebbe essere progettato a tenuta di vuoto ed eventualmente di pressione, se oltre all'essiccazione sono previste anche fasi di reazione o cristallizzazione. Per prodotti ossidanti, igroscopici, tossici o a rischio di esplosione sono importanti un'esecuzione inertizzabile, un concetto di protezione dalle esplosioni idoneo, una costruzione resistente al vuoto, una condensazione sicura e un trattamento definito dei gas di scarico. Il reattore conico non sostituisce tuttavia una valutazione di sicurezza completa. Calorimetria di reazione, dati su decomposizione ed esplosione di polveri, concentrazione limite di ossigeno, sfogo di pressione, progettazione del condensatore e trattamento dei gas non condensabili fanno parte della progettazione impiantistica.
Igiene ed esercizio
Un essiccatore-miscelatore conico è particolarmente interessante quando vi sono elevati requisiti di pulizia, cambio di prodotto o containment. La costruzione verticale consente un'installazione compatta e favorisce uno scarico verso il basso, assistito dalla gravità. Con prodotti ben scorrevoli si può raggiungere uno svuotamento molto ampio. Ciò riduce le perdite di prodotto e il rischio che residui finiscano nei lotti successivi. I recipienti di miscelazione conici vengono pubblicizzati tra l'altro per uno svuotamento completo o quasi completo delle polveri; le quantità residue effettivamente raggiungibili dipendono tuttavia da dimensione delle particelle, appiccicosità, umidità, effetti elettrostatici, valvola di scarico e stato della superficie.
Per i processi farmaceutici, chimico-fini o della chimica speciale sono determinanti superfici di contatto con il prodotto lisce, scarichi a basso spazio morto, costruzioni adatte alla tenuta, accesso per l'ispezione e concetti CIP, WIP o eventualmente SIP validabili. La pulizia deve essere validata per il gruppo di sostanze concreto, i solventi, la ricetta più critica e il limite di residuo richiesto. Con sostanze altamente attive o tossiche vanno inoltre integrati nel concetto complessivo containment, cambio dei filtri, campionamento, svuotamento e trattamento del condensato dei vapori.
Anche la flessibilità di carica richiesta è un criterio di scelta. I sistemi di miscelazione conici possono lavorare con gradi di riempimento diversi, a condizione che organo di miscelazione, superficie di scambio termico, organo di scarico e conduzione di processo siano progettati di conseguenza. Ciò è vantaggioso per impianti multiprodotto, impianti pilota o processi con dimensioni di lotto variabili. L'intervallo di grado di riempimento effettivamente validato e la qualità di miscelazione ed essiccazione raggiungibile devono tuttavia essere dimostrati in prova per ogni famiglia di prodotti. Gli impianti pilota con volumi di riempimento variabili vengono impiegati espressamente per prove di scale-up e di sviluppo di processo.
Criteri di decisione
Un essiccatore-miscelatore conico o un reattore conico è particolarmente la scelta giusta quando sono soddisfatti più dei seguenti criteri:
Il prodotto è sensibile al calore e deve essere essiccato a bassa temperatura sotto vuoto.
Il prodotto è pregiato, tossico, igroscopico, sensibile all'ossidazione o critico dal punto di vista della contaminazione e deve essere lavorato senza trasferimenti aperti.
Durante l'essiccazione si presentano transizioni reologiche dalla sospensione, attraverso una fase pastosa o grumosa, fino alla polvere scorrevole.
La struttura cristallina, la distribuzione granulometrica o la struttura del granulato devono essere il più possibile preservate.
Reazione, cristallizzazione, termoregolazione, evaporazione ed essiccazione devono essere combinate in un unico apparecchio chiuso.
I vapori di solvente devono essere condensati in modo controllato ed eventualmente recuperati.
Uno svuotamento residuo ampio, una buona pulibilità e una bassa contaminazione crociata sono rilevanti dal punto di vista economico o regolatorio.
L'impianto deve lavorare dimensioni di lotto diverse e avere un ingombro d'installazione il più possibile ridotto.
Così amixon® sceglie l'essiccatore-miscelatore sottovuoto o il reattore conico adatto
Quando le polveri devono essere miscelate ed essiccate contemporaneamente, non è soltanto la resa di essiccazione desiderata a decidere la forma costruttiva adatta dell'apparecchio. Determinanti sono l'escursione della dimensione dei lotti, la finestra di grado di riempimento richiesta, lo svuotamento residuo desiderato, la sensibilità termica del prodotto, il suo comportamento reologico durante l'essiccazione, il requisito igienico o sterile, nonché l'ingombro disponibile. amixon® non sceglie quindi la forma costruttiva in base a un unico valore caratteristico, ma sull'intero compito di processo, e conferma la progettazione con prove sul prodotto originale.
Le due serie costruttive essiccatore-miscelatore/reattore conico AMT ed essiccatore-miscelatore/reattore verticale VMT sono progettate per processi chiusi di miscelazione, reazione, cristallizzazione ed essiccazione sotto vuoto. Entrambi gli apparecchi possono essere realizzati a tenuta di pressione e di vuoto; è realizzabile un vuoto fino a circa 5 mbar assoluti. Camera di miscelazione e organo di miscelazione possono essere temperati con acqua, vapore o olio diatermico. Ciò consente di essiccare i prodotti sotto vuoto a temperatura ridotta, riscaldarli, raffreddarli, farli reagire o cristallizzare in modo controllato. Per prodotti a rischio di esplosione da polvere la camera di miscelazione può essere progettata per la zona ATEX 20.
I criteri di scelta
La prima domanda riguarda la dimensione del lotto e la flessibilità necessaria. Se un impianto deve lavorare dimensioni di lotto diverse, il processo di miscelazione ed essiccazione deve funzionare in modo riproducibile anche a riempimento parziale. Sia l'AMT sia il VMT possono essere progettati per gradi di riempimento ridotti. Ad esempio, con una progettazione idonea del prodotto sono possibili in modo sicuro per il processo gradi di riempimento a partire da circa il 15 % del volume utile. Se a un determinato grado di riempimento si ottengano ancora movimento di prodotto, trasmissione del calore, disagglomerazione e svuotamento residuo sufficienti viene verificato con il prodotto originale.
Un altro criterio importante è il comportamento reologico durante l'essiccazione. Molti prodotti non restano scorrevoli per l'intero processo. Una sospensione può, durante l'evaporazione, diventare dapprima densa, passare quindi a uno stato viscoplastico, appiccicoso o grumoso, e solo alla fine ritrasformarsi in una polvere fine e scorrevole. Proprio questa fase di transizione determina spesso il fabbisogno di coppia, la resa di trasmissione del calore, l'intensità di miscelazione richiesta e la necessità di una disagglomerazione aggiuntiva. AMT e VMT possono essere realizzati con un organo di miscelazione temperabile e, se necessario, con rotori di taglio. Il rotore di taglio può essere inserito temporaneamente per disgregare gli agglomerati viscoplastici, ampliare la superficie di prodotto attiva e mantenere la trasmissione di calore e materia durante la fase di essiccazione critica.
Anche la sensibilità alla temperatura è determinante. L'essiccazione sotto vuoto riduce la temperatura di ebollizione di acqua e solventi. Ciò consente di essiccare i prodotti a temperature più basse di quanto sarebbe possibile a pressione atmosferica. Le ampie superfici temperabili di recipiente e organo di miscelazione favoriscono un apporto di calore rapido ma controllato. Determinante è che il prodotto in miscelazione tocchi continuamente queste superfici. Il ricircolo tridimensionale del prodotto rinnova il contatto sulla parete temperata del recipiente e su albero, bracci ed elica. In questo modo umidità e solvente possono essere allontanati in modo efficiente, senza impiegare velocità di utensile elevate o sollecitazioni meccaniche inutili.
Questa conduzione di processo delicata è particolarmente rilevante per prodotti sensibili dal punto di vista termico e meccanico. Tra questi possono rientrare, per esempio, spore fungine, colture batteriche, pigmenti effetto, prodotti chimici fini cristallini, principi attivi, granulati sensibili o particelle rivestite. Se l'attività biologica, l'intensità del colore, la struttura cristallina, la distribuzione granulometrica o le caratteristiche superficiali vengano effettivamente preservate deve essere confermato di volta in volta in prova al centro prove. La possibilità impiantistica di basse temperature di prodotto e bassa frequenza di rotazione crea il presupposto per questo, ma non sostituisce una verifica specifica per il prodotto.
Quando è adatto l'AMT
L'essiccatore-miscelatore/reattore conico AMT è particolarmente adatto quando sono in primo piano uno svuotamento residuo ampio e frequenti cambi di prodotto. La sua geometria conica conduce il prodotto, assistito dalla gravità, verso la valvola a segmento sferico disposta centralmente. I prodotti scorrevoli possono così essere svuotati in modo quasi completo. Ciò è particolarmente prezioso con principi attivi costosi, prodotti chimici fini, sostanze altamente attive o ricette in cui piccole quantità residue sono rilevanti dal punto di vista economico o della qualità.
La geometria di scarico centrale può inoltre semplificare la pulizia, perché lascia meno prodotto nei percorsi di scarico laterali od orizzontali. L'AMT è accessibile dall'alto e può essere dotato di un'attrezzatura di ispezione e pulizia idonea. A seconda del progetto sono possibili pulizia a secco, concetti WIP o CIP, nonché un'esecuzione sterilizzabile a vapore. La pulibilità deve essere qualificata per prodotto, solvente, limite di residuo e strategia di cambio.
L'AMT è inoltre adatto a processi con lotti da piccoli a medi o con gradi di riempimento fortemente variabili. La sua forma conica favorisce il movimento del prodotto anche a riempimento parziale. L'intervallo di lavoro effettivamente raggiungibile dipende tuttavia da densità del prodotto, appiccicosità, granulometria, fabbisogno termico, livello di vuoto e tempo di processo desiderato. Per questo la decisione definitiva non si basa soltanto sul grado di riempimento geometrico, ma su prove di miscelazione, essiccazione e svuotamento.
Quando è adatto il VMT
L'essiccatore-miscelatore/reattore verticale VMT è particolarmente adatto quando devono essere lavorati lotti di grandi dimensioni e l'ingombro disponibile deve essere sfruttato in modo ottimale. Le sue proporzioni del recipiente, piuttosto cubiche, consentono un buon rapporto tra volume utile, altezza costruttiva e superficie di base. Nel modulo standard sono previste taglie fino a circa 40.000 litri; in base al progetto sono realizzabili apparecchi da circa 100 a 50.000 litri, con incrementi di 100 litri.
Con un'altezza di installazione limitata il VMT può essere realizzato più basso. Con una superficie di base limitata può essere opportuna una forma costruttiva più snella e più alta. Il progetto dell'apparecchio può così essere adattato a edifici esistenti, altezze di camera bianca, ballatoi, portate delle gru, tracciati delle tubazioni e accessi di manutenzione. Il VMT può essere dotato di un filtro vapori temperabile. Uno sportello di ispezione laterale e un passo d'uomo, a scelta laterale o superiore, facilitano l'accesso per ispezione, pulizia e manutenzione.
Anche nel VMT l'integrazione di processo resta un vantaggio centrale. Miscelazione, reazione, cristallizzazione, termoregolazione, evaporazione, disagglomerazione ed essiccazione sotto vuoto possono essere eseguite, a seconda di ricetta ed esecuzione dell'apparecchio, nello stesso spazio di processo chiuso. Ciò riduce i trasferimenti di prodotto, abbassa il potenziale di contaminazione e perdita e semplifica il recupero dei solventi tramite filtro vapori e sistema di condensazione.
Igiene, sicurezza e documentazione
Con elevati requisiti igienici, di purezza o di sterilità, la costruzione dell'apparecchio viene definita in base al progetto sulla User Requirement Specification. L'esecuzione può comprendere superfici a contatto con il prodotto saldate senza fughe e rettificate, organi di scarico a basso spazio morto, sistemi di tenuta definiti, dispositivi di pulizia integrati e zone di ispezione ben accessibili. A seconda dell'applicazione possono essere considerati i requisiti di GMP, EHEDG, linee guida igieniche FDA, 3-A Sanitary Standards, USDA, ATEX e ASME.
Per ambienti regolamentati amixon® può supportare nella preparazione di Design Qualification, Installation Qualification e Operational Qualification. La documentazione tecnica e l'automazione possono orientarsi a EU-GMP e FDA 21 CFR Part 11. Il rilascio di prodotto e di processo, così come la validazione definitiva, restano in capo al gestore e al suo sistema di qualità.
Gli apparecchi vengono progettati specificamente per il progetto sulla base di una User Requirement Specification. La progettazione comprende, tra l'altro, geometria del recipiente, taglia, superfici di scambio termico, organo di miscelazione, rotore di taglio, tecnica del vuoto, filtro vapori, sistema di condensazione, materiali, superfici, guarnizioni, organo di scarico, sistema di pulizia, strumentazione e automazione. Ciò consente di adattare l'AMT o il VMT alla gamma di prodotti concreta, all'infrastruttura esistente e alla resa produttiva richiesta.
Prove prima dell'investimento
La scelta definitiva tra AMT e VMT dovrebbe essere confermata da prove con il prodotto originale. Nel centro prove vengono esaminati gli intervalli di temperatura e pressione previsti, il livello di vuoto, la cinetica di essiccazione, la trasmissione del calore, le transizioni reologiche, il fabbisogno di coppia, la possibile disagglomerazione, l'umidità residua, il recupero del solvente, la qualità delle particelle, lo svuotamento residuo e la pulibilità.
Particolarmente importante è la riproduzione della fase di processo critica: per esempio la transizione dalla sospensione pompabile, attraverso uno stato intermedio viscoplastico o grumoso, fino alla polvere secca. I risultati di prova documentati forniscono la base per taglia, superficie di scambio termico, riserva di coppia, utensile di miscelazione, sistema del vuoto, capacità del condensatore, tecnica di filtrazione e automazione. Riducono il rischio tecnico ed economico prima dell'investimento.