Quali opzioni esistono per l'integrazione di sistemi di dosaggio nei miscelatori di polveri?
I sistemi di dosaggio possono essere integrati direttamente al miscelatore, tramite un contenitore intermedio o come parte di un processo continuo. La soluzione tecnicamente migliore dipende dal comportamento del prodotto, dalla precisione di dosaggio richiesta, dalla portata, dall'esercizio a lotti o continuo, dall'igiene, dal contenimento e dall'altezza costruttiva disponibile. Un'architettura genericamente «migliore» non esiste.
Nel carico diretto, organi di dosaggio come dosatori a coclea, valvole rotative o canali vibranti sono collegati direttamente all'ingresso del miscelatore. Questo riduce i punti di consegna, le altezze di caduta libera e le perdite di materiale. La soluzione è adatta per impianti compatti, ma richiede un coordinamento temporale affidabile tra dosaggio e miscelatore. I dosatori volumetrici sono relativamente semplici, ma reagiscono in modo sensibile alle variazioni di densità apparente, comportamento di scorrimento o livello di riempimento. Sono quindi sensati soprattutto per polveri stabili e ben scorrevoli.
Per i processi a lotti si presta spesso una pesatura gravimetrica a monte. In questo caso i componenti vengono dosati per massa in un contenitore di pesatura o direttamente su una bilancia, e successivamente trasferiti a lotti nel miscelatore. Questo principio è spesso indicato come Gain-in-Weight: viene misurato il peso crescente nel sistema di pesatura. Consente un'associazione chiara alla ricetta e una precisione elevata, sempre tuttavia dipendente da prodotto, intervallo di quantità e impianto. Le celle di carico devono essere disaccoppiate da vibrazioni, forze delle tubazioni e carichi meccanici secondari.
Per i processi di miscelazione continua vengono spesso utilizzati dosatori gravimetrici Loss-in-Weight. Loss in Weight significa che la massa decrescente di un contenitore di riserva viene rilevata continuamente; la velocità dell'organo di dosaggio viene regolata in modo da mantenere una portata massica predefinita. Questo metodo può compensare meglio le oscillazioni di densità apparente e flusso di materiale rispetto a un dosaggio puramente volumetrico. Le fasi di rabbocco restano tuttavia un punto critico: durante il riempimento, la regolazione gravimetrica diretta è limitata o interrotta, per cui dimensione del contenitore, velocità di rabbocco, strategia di regolazione ed eventualmente una bufferizzazione devono essere dimensionati con cura.
La precisione di dosaggio non dovrebbe essere indicata genericamente con valori percentuali fissi. Dipende da prodotto, intervallo di dosaggio, tempo di dosaggio, risoluzione di pesatura, comportamento di scorrimento, organo di scarico, processo di rabbocco, disturbi ambientali e dalla definizione della precisione stessa. Soprattutto per piccole quantità e polveri coesive, la precisione ottenibile può scostarsi notevolmente dai valori nominali. Dovrebbe quindi essere verificata con materiale originale e sull'intero intervallo operativo reale.
Le valvole coniche possono essere impiegate come organi di scarico e intercettazione su miscelatori, silos o contenitori. Sollevando un cono si crea una fessura di scarico anulare. Con una geometria del contenitore e un prodotto sfuso idonei, ciò può favorire un flusso di massa: il prodotto si muove così sull'intera sezione del contenitore e non solo in un canale di flusso centrale. Il flusso di massa può ridurre segregazione, zone morte e tempi di permanenza disomogenei. Non è tuttavia garantito dalla sola valvola. Angolo della tramoggia, dimensione dello scarico, attrito con la parete, umidità del prodotto, coesione, distribuzione granulometrica e aerazione devono essere considerati congiuntamente.
Una posizione di sollevamento variabile di una valvola conica può influenzare il flusso di prodotto e, in determinate applicazioni, supportare un dosaggio grossolano o fine. Per riempimenti gravimetricamente precisi, la sola valvola di norma non sostituisce una tecnica di pesatura e regolazione adeguata. Nelle polveri coesive o difficili da far scorrere possono essere necessari inoltre ausili di vibrazione, aerazione o scarico. Queste misure devono essere dimensionate con cautela, poiché vibrazioni o movimenti d'aria incontrollati possono favorire la segregazione in miscele sensibili.
Il controllo di processo deve interbloccare logicamente dosatore, miscelatore e scarico. Le condizioni tipiche sono: il miscelatore è pronto per il carico, la ricetta corretta è rilasciata, la valvola di scarico è chiusa, la pesatura rientra nella tolleranza ammessa e l'impianto a valle può ricevere prodotto. Interruttori di finecorsa, retroazioni di posizione, segnali di pesatura, valori di livello e messaggi di guasto dovrebbero essere documentati chiaramente e integrati nel controllo. Un controllore logico programmabile, in breve PLC, può eseguire questi cicli; per la documentazione di lotto, i dati di ricetta, materia prima e processo possono essere trasmessi a sistemi sovraordinati.
L'esecuzione costruttiva dipende dal caso applicativo. Per alimenti e farmaci sono rilevanti geometrie a ridotta presenza di spazi morti, ben pulibili, materiali idonei a contatto con il prodotto ed eventualmente Cleaning in Place, in breve CIP, o Sterilization in Place, in breve SIP. Il CIP indica la pulizia delle parti installate dell'impianto senza uno smontaggio esteso; il SIP indica la sterilizzazione nello stato installato. In presenza di polveri o gas esplosivi devono essere considerati la classificazione delle zone, la valutazione delle fonti di innesco e misure di protezione adeguate. I prodotti abrasivi possono richiedere materiali resistenti all'usura o parti soggette a usura sostituibili. Per prodotti reattivi o sensibili all'ossigeno possono essere necessari sistemi chiusi, inertizzazione e condizioni di pressione o vuoto definite.
Così amixon® può integrare dosaggio, scarico e periferia
L'integrazione di sistemi di dosaggio in un miscelatore di polveri deve essere pianificata come compito complessivo che comprende approvvigionamento del materiale, pesatura, carico, miscelazione, scarico, trasporto e controllo. Determinanti sono le proprietà dei prodotti sfusi, la precisione di dosaggio richiesta, la modalità operativa — a lotti o continua —, la pulibilità richiesta, i requisiti di contenimento, nonché le interfacce verso l'impianto a monte e a valle. amixon® può dimensionare la tecnica di miscelazione e le relative interfacce in modo specifico per progetto sulla base della User Requirement Specification, in breve URS. La URS è la specifica dei requisiti documentata dal gestore.
Sul lato scarico, la valvola DosiFlap® può supportare, in determinate applicazioni, un'erogazione controllata del prodotto. Può essere posizionata direttamente sotto il miscelatore e consentire il trasferimento in big bag, contenitori, tecnica di trasporto o fasi di processo a valle. Il vantaggio di un'erogazione diretta consiste nel poter evitare contenitori intermedi aggiuntivi e potenziali punti di consegna. Se ciò consenta di raggiungere un dosaggio sufficientemente preciso dipende tuttavia da comportamento di scorrimento, densità apparente, quantità dosata, tolleranza di scarico, caratteristica della valvola, condizioni di pressione e dal concetto di pesatura esistente. Per riempimenti gravimetricamente precisi è di norma necessaria una tecnica di pesatura dedicata; l'organo di scarico da solo non la sostituisce.
A seconda del requisito di processo possono essere impiegati anche raccordi normalizzati con valvola a farfalla o valvole a segmento sferico resistenti al vuoto e alla pressione. L'organo di scarico idoneo deve essere adatto al prodotto, alla geometria del contenitore, a possibili condizioni di pressione o vuoto, alla strategia di pulizia e all'impianto a valle. Un'esecuzione a filo, a ridotta presenza di spazi morti, dello scarico può ridurre residui di prodotto e onere di pulizia. Non costituisce tuttavia una prova generale che non rimangano residui al di sopra della valvola. Polveri aderenti, umide, coesive o elettrostaticamente cariche possono formare incrostazioni indipendentemente dalla geometria. La prestazione di svuotamento e pulizia dovrebbe quindi essere verificata con il prodotto effettivo.
La tecnologia ComDisc® può supportare lo scarico convogliando verso lo scarico le quantità di prodotto rimaste al termine della miscelazione. Secondo quanto indicato da amixon®, a seconda di prodotto e applicazione sono possibili gradi di svuotamento elevati fino a circa il 99,99 per cento. Uno svuotamento il più possibile completo può aumentare la resa di prodotto, semplificare i cambi di prodotto e ridurre le quantità residue. Lo svuotamento effettivamente ottenibile dipende tuttavia da adesione al prodotto, umidità, dimensione delle particelle, densità apparente, geometria dell'apparecchio e modalità operativa. Uno svuotamento privo di segregazione può essere valutato solo per la ricetta concreta e per il reale percorso di scarico.
Per i processi continui, il miscelatore continuo amixon® tipo AMK mostra come dosaggio, volume di miscelazione e scarico possano essere coordinati tra loro. All'inizio della produzione lo scarico resta inizialmente chiuso. I dosatori gravimetrici partono contemporaneamente con una portata massica ridotta e vengono coordinati tra loro. Dopo che il contenitore è riempito a circa metà, inizia l'esercizio di miscelazione. A un grado di riempimento di circa l'80 per cento lo scarico si apre gradualmente; successivamente il grado di riempimento viene mantenuto a questo livello tramite i flussi di dosaggio. Al termine della produzione i flussi di dosaggio vengono ridotti in modo controllato e il miscelatore viene svuotato. Questo concetto può ridurre le perdite di avviamento e di fine produzione e favorire un esercizio stabile. Se effettivamente non si generino perdite di prodotto o prodotti fuori specifica dipende tuttavia da precisione di dosaggio, oscillazioni delle materie prime, regolazione di processo, compito di miscelazione e criteri di qualità definiti.
Per gli impianti a lotti valgono principi analoghi. Una pesatura automatica della ricetta può rilevare i componenti secondo quantità obiettivo predefinite e trasferirli al miscelatore in una sequenza definita. A tal fine dosatori, celle di carico, contenitori di riserva, tecnica di trasporto, miscelatore e scarico devono essere collegati tramite una logica di controllo e interblocco chiara. Ad esempio, il miscelatore dovrebbe essere caricato solo se la ricetta è rilasciata, l'organo di scarico è chiuso, è disponibile un volume di contenitore sufficiente e il processo si trova in uno stato operativo sicuro. Dopo la fase di miscelazione, l'impianto a valle o il sistema di riempimento deve essere pronto prima che venga abilitato lo scarico.
amixon® produce la tecnica di miscelazione; dosatori, vagliatrici, tecnica di trasporto e ulteriore periferia possono essere integrati nell'ambito del progetto. A tal fine, misure di collegamento meccaniche, altezze di consegna, potenze di trasporto, portate, volumi di buffer, flussi di materiale, trasmissioni di segnale e responsabilità devono essere definiti tempestivamente. I miscelatori verticali compatti possono facilitare l'integrazione, perché le materie prime vengono spesso alimentate dall'alto e i prodotti scaricati verso il basso. Il principio della gravità funziona tuttavia solo se altezze di caduta, angolo della tramoggia, comportamento di scorrimento, rischi di formazione di ponti, gestione della polvere e altezza costruttiva disponibile sono adeguatamente considerati.
Il controllo collega pesatura, dosaggio, processo di miscelazione e riempimento. Le ricette possono essere memorizzate in un controllore logico programmabile, in breve PLC, ed eseguite per lotto. Un PLC è un computer industriale per il controllo di macchine e processi. Un collegamento specifico per progetto a un sistema Enterprise Resource Planning, in breve sistema ERP, e l'identificazione del materiale tramite codice a barre possono supportare la tracciabilità dei lotti. Un sistema ERP serve per la pianificazione e la gestione di ordini, materiali e risorse. Affinché ricetta, lotto di materia prima, quantità obiettivo ed effettive, parametri di processo e scarico siano collegati correttamente tra loro, devono essere definiti chiaramente modello dati, timestamp, versione di ricetta, diritti utente, comportamento della comunicazione e gestione degli scostamenti.
Il dimensionamento di una nuova soluzione di dosaggio o scarico non dovrebbe basarsi solo su valori empirici. Nel centro prove amixon® possono essere effettuate prove con il prodotto originale. A Paderborn sono disponibili, secondo quanto indicato da amixon®, oltre 30 impianti di prova in diverse dimensioni; centri prove complementari esistono in Giappone, India, Thailandia, Cina, Corea del Sud e negli Stati Uniti. A seconda del compito, è possibile valutare qualità di miscelazione, dosabilità, distribuzione dei liquidi, delicatezza sul prodotto, apporto energetico, svuotabilità e pulibilità. I risultati possono supportare il dimensionamento e la definizione dei parametri di partenza. Riducono i rischi tecnici prima di un investimento, ma non sostituiscono il collaudo di prestazione ed eventualmente la qualificazione dell'intera linea di produzione presso il gestore.
L'hygienic design dell'impianto di miscelazione può supportare un'integrazione pulita e controllata. amixon® descrive, per determinate esecuzioni, aree a contatto con il prodotto con giunture ridotte e levigate, un organo miscelante supportato solo in alto, nonché porte di ispezione Clever-Cut® con guarnizioni OmgaSeal®. Queste caratteristiche possono migliorare accessibilità e pulibilità e ridurre i punti di tenuta a contatto con il prodotto. Lance di lavaggio, nonché Cleaning in Place, in breve CIP, o Wet in Place, in breve WIP, possono essere previsti in modo specifico per progetto. Il CIP indica la pulizia nello stato installato senza uno smontaggio esteso. Il WIP descrive una pulizia a umido nello stato installato. L'effettiva efficacia di pulizia deve essere dimostrata per prodotto, contaminazione e procedimento di pulizia; una lancia di lavaggio o un ciclo di pulizia automatizzato non sono automaticamente una pulizia validata.