Quali errori si commettono frequentemente riguardo al grado di riempimento di un miscelatore?
Il grado di riempimento viene spesso trattato come una grandezza fissa della macchina, sebbene sia un parametro di processo centrale. Troppo poco o troppo prodotto nel miscelatore può influenzare in modo significativo la qualità di miscelazione, il tempo di miscelazione, l'integrità delle particelle, la segregazione, la distribuzione del liquido, lo svuotamento e l'onere di pulizia. Il grado di riempimento adeguato deve quindi essere determinato congiuntamente per prodotto, geometria del miscelatore, utensile, velocità di rotazione e obiettivo di processo.
Sovrariempimento eccessivo
Un errore diffuso è riempire il miscelatore fino quasi al suo volume geometrico complessivo, per aumentare la resa per lotto o ridurre il tempo di ciclo. In questo modo manca spesso lo spazio libero necessario per il movimento del prodotto. Il prodotto miscelato non può espandersi, rimescolarsi o circolare a sufficienza. Le conseguenze sono tempi di miscelazione più lunghi, zone poco movimentate, omogeneità variabile e, nei casi estremi, una compattazione locale o un sovraccarico dell'azionamento.
Con prodotti sensibili, un sovrariempimento può inoltre aumentare la pressione sugli strati inferiori del prodotto. Fiocchi, agglomerati, granulati e altri componenti sensibili alla rottura possono così subire una maggiore abrasione o rompersi. Con ricette appiccicose, umide o contenenti grassi, il sovrariempimento può inoltre favorire incrostazioni e una distribuzione disomogenea del liquido. Livelli di riempimento più elevati possono allungare il tempo di miscelazione; al contempo, il grado di riempimento e lo schema di caricamento influenzano il rischio di segregazione.
Riempimento insufficiente
Un grado di riempimento troppo basso viene spesso scelto perché offre inizialmente uno spazio di movimento generoso. Se tuttavia l'altezza di riempimento è troppo bassa, gli utensili di miscelazione non raggiungono più l'intero volume di prodotto. Possono formarsi zone poco movimentate, mentre altre parti di prodotto vengono lavorate ripetutamente e in modo relativamente intenso.
Nei miscelatori a caduta libera e a moto vorticoso, una quantità di prodotto troppo scarsa può portare ad altezze di caduta maggiori e a un'energia d'urto più elevata. Nei miscelatori con utensili si può verificare un aumento della velocità relativa, dell'abrasione, della rottura delle particelle o della formazione di polvere. Ciò è particolarmente critico per cereali, granulati fragili, particelle rivestite e agglomerati sensibili. Il sottoriempimento può ridurre la resa di miscelazione e aumentare la variabilità tra i lotti.
Utilizzare il peso invece del volume
Un errore di pianificazione frequente è dimensionare il lotto esclusivamente in chilogrammi. Il grado di riempimento è però una grandezza volumetrica. Variazioni della densità apparente, dell'umidità, della temperatura, della quota d'aria, della granulometria o della ricetta possono far sì che la stessa massa occupi un volume nettamente diverso.
Ciò è particolarmente problematico con prodotti leggeri e voluminosi come fiocchi, polveri instant, fibre o polveri agglomerate. Un lotto che sembra corretto in base al peso può in realtà sovrariempire il miscelatore. Al contrario, un prodotto pesante, a parità di massa, può restare nettamente al di sotto del campo di lavoro richiesto. Per determinare il grado di riempimento dovrebbe quindi essere utilizzata la densità apparente reale della miscela di prodotto nelle effettive condizioni di processo.
Modificare il grado di riempimento in modo isolato
Il grado di riempimento viene talvolta modificato senza adattare velocità di rotazione, tempo di miscelazione, configurazione dell'utensile, profilo di dosaggio o aggiunta di liquido. Ciò porta spesso a oscillazioni inspiegabili. Un grado di riempimento più elevato richiede, a seconda del principio di miscelazione, un tempo di miscelazione o una velocità di rotazione adattati; un riempimento più basso può richiedere una velocità dell'utensile inferiore, per limitare rottura e abrasione.
Anche l'aggiunta di componenti liquidi deve essere coordinata con il grado di riempimento. Con un riempimento elevato, la superficie di prodotto raggiungibile nell'unità di tempo è minore; la nebulizzazione non raggiunge tutte le particelle in modo uniforme. Con un riempimento basso, il liquido può concentrarsi su poche zone o aderire a parete e utensile. Grado di riempimento, portata di spruzzatura, dimensione delle gocce, geometria degli ugelli e movimento del prodotto devono quindi essere sviluppati come un'unica finestra di processo coordinata.
Ignorare il campo di lavoro del costruttore
Ogni miscelatore possiede un campo di lavoro previsto. Questo si basa sulla geometria della camera di miscelazione, sulla forma dell'utensile, sulla profondità di installazione, sull'organo di scarico e sul principio di miscelazione. Un grado di riempimento al di fuori di questo campo può, anche a parità di prodotto, causare zone morte, rimescolamento insufficiente, elevata sollecitazione meccanica o uno svuotamento instabile.
Il campo di lavoro del costruttore è un punto di partenza sensato, non un sostituto della validazione del prodotto. Un grado di riempimento ottimizzato per la pratica può situarsi entro l'intervallo ammesso, ma raramente è trasferibile in modo generico a un altro tipo di miscelatore o a un'altra taglia costruttiva.
Trascurare la segregazione prima e dopo la miscelazione
Un buon campione prelevato direttamente dal miscelatore non dimostra che il prodotto resti omogeneo fino al riempimento. La segregazione può già formarsi durante il caricamento a causa di altezze di caduta, densità apparenti, dimensioni delle particelle o sequenze di carico diverse. Può inoltre verificarsi durante lo svuotamento, negli scivoli, nei trasportatori, nei silos e durante il confezionamento.
Un grado di riempimento sfavorevole può amplificare questi effetti, perché modifica la forma di movimento del solido sfuso. Soprattutto nelle miscele composte da componenti grandi e piccoli, leggeri e pesanti o di forma diversa, la percolazione è rilevante: la frazione fine può migrare verso il basso attraverso gli interstizi delle particelle più grandi. Le differenze di dimensione, densità, forma e coesione delle particelle sono fattori determinanti della segregazione.
Miscelare troppo a lungo per compensare errori di riempimento
Una reazione frequente a campioni di miscelazione insoddisfacenti è: «Allora misceliamo più a lungo.» Ciò può tuttavia correggere raramente in modo completo un grado di riempimento inadeguato. Tempi di miscelazione più lunghi portano spesso, con prodotti sensibili, ad abrasione, rottura e polvere aggiuntive. Nelle miscele a rischio di segregazione, un miscelamento eccessivo può addirittura peggiorare nuovamente l'omogeneità.
Invece di aumentare indefinitamente il tempo di miscelazione, dovrebbe essere verificato se il miscelatore è sovra- o sottoriempito, se la densità apparente è cambiata, se l'utensile raggiunge l'intero lotto e se il caricamento e lo svuotamento causano già una segregazione del prodotto prima o dopo la miscelazione.
Assenza di prove con il prodotto originale
L'errore più grande è stabilire un grado di riempimento sulla base di valori empirici, di un'altra ricetta o soltanto del volume nominale. Anche prodotti comparabili possono comportarsi in modo nettamente diverso a causa di densità apparente, umidità, contenuto di grassi, forma delle particelle, granulometria o comportamento di flusso.
Il grado di riempimento dovrebbe quindi essere testato sistematicamente con prodotto originale rappresentativo. È opportuna una serie di prove con diversi gradi di riempimento e con velocità di rotazione e tempo di miscelazione adattati. Dovrebbero essere valutati omogeneità, tempo di miscelazione, quota di fini e di rotture, densità apparente, quota di polvere, distribuzione del liquido, segregazione dopo lo scarico, svuotamento residuo e tempo di ciclo. Il grado di riempimento influenza sia i processi di miscelazione sia quelli di segregazione e dovrebbe quindi essere trattato come parametro di processo critico.
Così amixon® lavora con gradi di riempimento variabili nei miscelatori verticali
Con cereali sensibili, fiocchi, prodotti estrusi, cluster e particelle rivestite, il grado di riempimento è in molti sistemi di miscelazione un parametro di processo critico. Nei miscelatori verticali amixon®, invece, la qualità di miscelazione può essere mantenuta su un ampio intervallo di grado di riempimento, a condizione che prodotto, esecuzione dell'utensile e parametri di esercizio siano adeguati al compito. L'elica di miscelazione verticale SinConvex® genera un movimento tridimensionale del prodotto: trasporta il prodotto miscelato verso l'alto nella zona vicina alla parete; al centro il prodotto rifluisce verso il basso per effetto della gravità.
Il ricircolo segue il volume di prodotto
La resa di trasporto di un'elica di miscelazione verticale può essere descritta in modo approssimativo come segue:
Iv=π/4⋅(D2−d2)⋅φ⋅S⋅n⋅ζ
In questa formula, Iv è la portata volumetrica di ricircolo dell'elica di miscelazione, D il diametro esterno e d il diametro interno dell'elica. φ descrive il grado di riempimento, S il passo dell'elica, n la frequenza di rotazione e ζ un coefficiente di velocità.
L'equazione mostra che, all'aumentare del grado di riempimento, la portata volumetrica ricircolata cresce in modo proporzionale. Contemporaneamente aumenta in modo proporzionale anche la quantità di prodotto da miscelare. Riferita al lotto presente, la potenza di ricircolo specifica resta quindi, in condizioni geometricamente comparabili, sostanzialmente costante. Questo spiega perché il movimento di miscelazione verticale possa restare analogamente efficace su un ampio intervallo di grado di riempimento. amixon® descrive questa relazione, per apparecchi geometricamente simili, come base di una potenza di miscelazione specifica indipendente dalla taglia.
Ciò non significa che il grado di riempimento non abbia più alcun ruolo. Continua a influenzare il tempo di miscelazione, la colonna di prodotto, lo svuotamento, l'aggiunta di liquido, la sollecitazione da pressione sulle particelle sensibili, gli spazi gassosi disponibili, lo scarico e il possibile impiego di utensili aggiuntivi. Tuttavia, nel ricircolo verticale SinConvex®, non è un fattore limitante nello stesso modo in cui lo è in principi di miscelazione la cui efficacia dipende fortemente da una determinata altezza di caduta, da una superficie di prodotto libera o da una zona vorticosa formata localmente.
Ampia flessibilità del grado di riempimento
I miscelatori verticali a doppio albero amixon® della serie HM sono descritti dal costruttore per gradi di riempimento di circa il 10–100 per cento del volume utile. Il miscelatore può essere fatto funzionare con velocità di rotazione variabile e omogeneizza, secondo il costruttore, prodotti asciutti, umidi e viscosi con dimensioni delle particelle, densità apparenti e proprietà di flusso diverse.
Nei miscelatori verticali a un albero della serie VM, il rimescolamento tridimensionale efficace inizia, secondo il costruttore, già a partire da circa il 10 per cento di grado di riempimento. Anche i miscelatori conici della serie AM coprono – a seconda del prodotto e dell'esecuzione – ampi campi di lavoro; amixon® indica gradi di riempimento di circa il 5–100 per cento. Per i solidi sfusi in polvere è tuttavia necessario uno spazio gassoso sufficiente. Il grado di riempimento massimo effettivamente utilizzabile dipende quindi dal comportamento di flusso, dal volume di prodotto, dallo sfiato, dall'aggiunta di liquido e dalla geometria del miscelatore.
Per i cereali sensibili, questa flessibilità offre vantaggi pratici. Lotti di ricetta più piccoli possono essere lavorati nello stesso miscelatore, senza dover necessariamente passare a un apparecchio più piccolo. Con varianti stagionali, sviluppi di prodotto, cambi di ricetta frequenti o quantità di produzione variabili, ciò può ridurre gli oneri di attrezzaggio e la capacità di miscelazione aggiuntiva necessaria. Il movimento delle particelle resta tridimensionale; l'intensità di miscelazione viene adattata, tramite esecuzione dell'utensile, velocità di rotazione e tempo di miscelazione, alla resistenza alla rottura, al coating e all'omogeneità desiderata.
Delicatezza sul prodotto e limiti di processo
Per i cereali sensibili alla rottura, una velocità dell'utensile ridotta è spesso opportuna per limitare l'energia d'urto, di attrito e di abrasione. Il movimento di trasporto verticale può rimescolare il prodotto in modo relativamente delicato. Un'esclusione completa di rottura dei fiocchi, abrasione o danni al coating non è tuttavia possibile in modo generico. Oltre alla miscelazione, possono influenzare l'integrità del prodotto soprattutto il caricamento, l'aggiunta di liquido, lo scarico, le altezze di caduta e la tecnica di trasporto a valle.
L'impiego di rotori di taglio o di altri utensili aggiuntivi intensivi non è di norma necessario con cereali sensibili. Se vengono aggiunti liquidi come aromi, oli, sciroppi o coating, la tecnica di spruzzatura deve essere coordinata con il grado di riempimento e il movimento del prodotto. Dimensione delle gocce, portata di spruzzatura, posizione degli ugelli, temperatura del prodotto e viscosità influenzano se venga raggiunta una bagnatura uniforme senza sovrainumidimento locale e incrostazioni.
I gradi di riempimento vicini al limite superiore devono essere verificati, in particolare con prodotti polverosi o leggeri, quanto a spazio di sfiato sufficiente, caricamento sicuro e libero movimento del prodotto. Allo stesso modo, gradi di riempimento molto bassi devono garantire che l'elica di miscelazione e la circolazione del prodotto raggiungano in modo affidabile l'intero lotto. amixon® raccomanda di stabilire il grado di riempimento minimo di un impianto previsto mediante prove di miscelazione con prodotto originale.
Dimensionamento basato su prove
Il dimensionamento concreto dovrebbe avvenire con cereali originali. In tale ambito vengono esaminati congiuntamente grado di riempimento, velocità di rotazione, tempo di miscelazione, esecuzione dell'utensile, caricamento, aggiunta di liquido e scarico. Dovrebbero essere valutati l'omogeneità di miscelazione, la quota di rotture e di fini, la distribuzione del coating, la formazione di polvere, la densità apparente, il comportamento di flusso, lo svuotamento residuo, nonché la possibile segregazione dopo il processo di miscelazione.
Le prove definiscono non un unico grado di riempimento ottimale, ma un campo di lavoro ammissibile solido. In questo modo un miscelatore verticale può essere impiegato in modo flessibile per lotti di dimensioni diverse, senza perdere di vista qualità del prodotto, integrità delle particelle e riproducibilità di processo.