Quali parametri di dimensionamento sono determinanti per ottenere, con grandi lotti, tempi di miscelazione brevi e un'elevata qualità di miscelazione?
Con grandi charge, tempi di miscelazione brevi e un'elevata qualità di miscelazione non nascono dal solo numero di giri massimo o da un'elevata potenza specifica. Decisivo è che geometria del recipiente, utensile di miscelazione, grado di riempimento, proprietà del prodotto, strategia di aggiunta e scarico siano armonizzati tra loro in modo tale che l'intero volume di miscelazione venga ricambiato in modo ripetuto, controllato e il più possibile delicato. Il dimensionamento definitivo deve essere messo in sicurezza con il prodotto originale e in condizioni di charge realistiche, perché proprio tra 10 e 100 m³ piccole deviazioni nel flusso di prodotto, nel dosaggio o nello svuotamento possono avere ripercussioni rilevanti su omogeneità e portata.
Recipiente e grado di riempimento
La geometria del recipiente deve consentire un movimento tridimensionale del prodotto e minimizzare le zone morte. Il rapporto tra altezza e diametro, la forma del fondo, i raggi di transizione, gli elementi interni, le distanze dalla parete e la posizione dello scarico influenzano la rapidità con cui il prodotto proveniente da tutte le zone raggiunge la zona di miscelazione attiva. Per i miscelatori di solidi non esiste un valore obiettivo universale per il rapporto di aspetto; esso dipende dal principio di miscelazione. Un miscelatore verticale cilindrico, un miscelatore conico, un miscelatore a due alberi e un miscelatore orizzontale a vomeri necessitano ciascuno di geometrie diverse per generare il flusso di prodotto desiderato.
Anche il grado di riempimento non è un valore universale. Molti miscelatori a caduta libera e orizzontali per solidi lavorano con un recipiente parzialmente riempito, poiché per il rimescolamento del prodotto è necessario spazio libero. Come intervallo di orientamento approssimativo si utilizza spesso circa il 40-70 per cento del volume del recipiente; in caso di sovrariempimento il rimescolamento libero diminuisce e il tempo di miscelazione aumenta. Altre forme costruttive di miscelatore possono, a seconda della geometria dell'utensile e del prodotto, lavorare in modo sensato anche con gradi di riempimento nettamente inferiori o superiori. Decisivo è che l'intervallo ammissibile venga dimostrato tramite prove di miscelazione per la ricetta concreta.
Nelle grandi charge la massa della charge è importante quanto il volume. Un miscelatore da 50 m³ può richiedere, a una densità apparente di 0,2 t/m³, un dimensionamento dell'azionamento e dello scarico completamente diverso rispetto a 1,2 t/m³. Il dimensionamento deve perciò considerare volume utile, massa massima, intervallo di densità apparente, carichi sulla parete, coppia di avviamento, compattazione del prodotto e le oscillazioni di charge effettivamente previste.
Utensile e cinematica
Per tempi di miscelazione brevi con grandi charge, il rimescolamento convettivo è di norma il meccanismo più importante. L'utensile di miscelazione non deve muovere il prodotto solo localmente, ma coinvolgere le zone di bordo, fondo, coperchio e nucleo in uno scambio tridimensionale ricorrente. A seconda del compito entrano in considerazione utensili a elica, a nastro elicoidale, a paletta, a vomere, a nastro o a più alberi. La scelta dipende da coesività, distribuzione granulometrica, densità apparente, umidità, abrasività, sensibilità e disagglomerazione richiesta.
Forma dell'utensile, numero, sovrapposizione delle zone di miscelazione e distanze dalla parete del recipiente determinano il tempo di rimescolamento dell'intero volume. Fessure di parete troppo grandi possono causare zone di bordo scarsamente miscelate e accumulo di prodotto. Fessure troppo piccole aumentano invece il rischio di abrasione, rottura delle particelle, sviluppo di calore e coppie di avviamento eccessivamente elevate. Nei prodotti abrasivi o sensibili, la distanza tecnicamente corretta è quindi sempre un compromesso tra effetto di miscelazione, usura e delicatezza sul prodotto.
Numero di giri e velocità periferica devono essere scelti in modo da generare il movimento di prodotto desiderato senza favorire segregazione, centrifugazione o taglio eccessivo. Nei sistemi rotanti a caduta libera, il numero di Froude è un parametro utile. Esso descrive il rapporto tra forze inerziali e gravitazionali: Fr=ω²R/g. Con l'aumento del numero di Froude cambiano i regimi di movimento, da rotolamento e cascata fino a cataracting o centrifugazione. Un semplice valore obiettivo come Fr≈1 non è tuttavia generalmente raccomandabile per miscelatori di solidi di grande volume. A Fr=1 inizia già, in molti sistemi rotanti, la centrifugazione; per una miscelazione a caduta libera delicata si utilizzano di norma valori nettamente inferiori.
L'apporto di potenza specifico P/V è un valore di confronto utile, ma non un criterio di scale-up da solo sufficiente. Una pari densità di potenza non garantisce automaticamente percorsi di prodotto, tempi di permanenza o qualità di miscelazione identici. Nei sistemi liquidi e pastosi, il numero di Reynolds e il numero di Newton integrano il dimensionamento. Il numero di Reynolds caratterizza il rapporto tra forze inerziali e viscose, mentre il numero di Newton descrive l'assorbimento di potenza in funzione di utensile, numero di giri, densità e stato di flusso. Per le polveri asciutte, invece, coesività, attrito con la parete, funzione di scorrimento, movimento delle particelle, contenuto d'aria e tendenza alla segregazione sono spesso più determinanti dei classici parametri idrodinamici.
Ricetta e dosaggio
Le proprietà dei componenti determinano quanto sia impegnativo il compito di miscelazione. Grandi differenze di dimensione, forma o densità apparente delle particelle aumentano il rischio di segregazione. Le particelle fini possono percolare tra particelle più grossolane; le particelle più dense tendono, in determinate condizioni, a migrare verso il basso negli strati sfusi. Un'ampia distribuzione granulometrica, nonché differenze di densità e del rapporto tra altezza di caduta e diametro del recipiente, possono accentuare la segregazione durante il riempimento e lo scarico.
Nelle polveri coesive la tendenza alla segregazione è spesso minore, ma al tempo stesso possono comparire agglomerati, ponti e bagnatura irregolare. In tal caso può essere necessario uno scambio convettivo più intenso o una disagglomerazione localizzata. Nelle polveri con scorrevolezza molto buona, invece, spesso è prioritario evitare la segregazione. In ricette idonee, un'aggiunta mirata di liquido può legare le particelle fini a particelle portanti più grossolane. Ciò deve essere dosato con attenzione, per evitare sovrabbagnatura locale, agglomerati indesiderati o un peggioramento della scorrevolezza.
Il punto e l'ordine di aggiunta sono particolarmente importanti nelle grandi charge. Componenti minori, principi attivi, pigmenti o additivi non dovrebbero cadere in zone di bordo a basso flusso, ma essere dosati in una zona di miscelazione attiva. Premiscele geometriche possono essere necessarie con quote di dosaggio molto basse. La durata del dosaggio e il momento di avvio devono essere adeguati al tempo di rimescolamento del miscelatore. Un'aggiunta molto rapida in una zona localizzata può generare un picco di concentrazione che non sempre viene risolto in modo affidabile nemmeno con una miscelazione più lunga.
Scarico e scale-up
Un'elevata qualità di miscelazione è rilevante per il processo solo se viene mantenuta allo scarico e nel trasporto successivo. Lo scarico dovrebbe essere dimensionato in modo da favorire il flusso di massa. Nel flusso di massa il materiale si muove su tutta la sezione del recipiente in direzione dello scarico; ciò può ridurre la segregazione rispetto al flusso a canale o a pozzo. Una geometria della tramoggia dimensionata per il flusso di massa, sezioni di scarico sufficientemente grandi, inclinazioni di parete idonee e un organo di scarico coordinato sono quindi parametri di dimensionamento centrali.
Vanno inoltre considerati altezze di caduta, punti di trasferimento, nastri trasportatori, tubazioni di trasporto pneumatico e recipienti di alimentazione. Grandi tratti di caduta libera possono causare una classificazione per traiettoria e dimensione. Vibrazioni, correnti d'aria e travasi ripetuti possono peggiorare nuovamente l'omogeneità raggiunta nel miscelatore. Per ricette critiche sono perciò necessari campioni scaglionati nel tempo durante lo scarico e nell'ultimo punto di processo rilevante.
Lo scale-up non deve basarsi su un singolo parametro. Similitudine geometrica, numero di Froude, velocità periferica, apporto di potenza specifico, numero di giri dell'utensile e tempo di rimescolamento possono essere, a seconda del principio di miscelazione, grandezze di confronto utili. Possono tuttavia perseguire obiettivi diversi e non sempre possono essere mantenuti costanti contemporaneamente. Soprattutto per i solidi è quindi utile una combinazione di modellazione, ad esempio CFD o DEM, e prove di miscelazione rappresentative. La simulazione può rendere visibili zone critiche, percorsi di prodotto e potenziali meccanismi di segregazione; deve tuttavia essere convalidata con dati di misura del prodotto reale.
Tempi di miscelazione brevi e un'elevata qualità di miscelazione con grandi charge nascono quando l'utensile di miscelazione rimescola l'intero volume di prodotto in modo controllato e ripetuto. Esattamente a questo sono orientati i miscelatori verticali e conici amixon® VM, HM e AM con utensili di miscelazione SinConvex®. Il prodotto viene convogliato verso l'alto nella zona vicina alla parete, fluisce al centro verso il basso sotto l'effetto della gravità e viene quindi ricondotto nella zona di miscelazione attiva. Questa deflusso totale tridimensionale collega tra loro tutte le zone del prodotto e riduce il rischio che si formino zone di bordo o di nucleo scarsamente miscelate.
Nel miscelatore verticale a due alberi amixon® HM si sovrappongono due flussi di prodotto. Ciò può consentire, con una ricetta idonea, un grado di riempimento adatto e un numero di giri coordinato, tempi di miscelazione particolarmente brevi. La serie standard copre taglie fino a circa 20.000 litri; apparecchi più grandi possono essere realizzati, in base al progetto, fino a circa 50 m³. Anche il miscelatore KoneSlid® KS lavora con un rimescolamento forzato tridimensionale attivo. L'intero volume di charge può essere rimescolato una volta dopo circa quattro giri dell'utensile. A seconda del prodotto, del grado di riempimento, dell'omogeneità obiettivo e del concetto di caricamento, la qualità di miscelazione desiderata può essere raggiunta dopo circa 20-40 giri. Questi valori non rappresentano tuttavia una prova di prestazione universale, ma devono essere convalidati con il prodotto originale.
La dimensione di una charge non è determinante per il tempo o la qualità di miscelazione. Sono rilevanti anche densità apparente, grado di riempimento, distribuzione granulometrica, forma delle particelle, coesività, umidità, struttura degli agglomerati, quote di dosaggio e la delicatezza sul prodotto richiesta. In presenza di grandi differenze di densità apparente o di granulometria, una segregazione può verificarsi durante lo scarico, lungo i tratti di caduta o nel trasporto successivo. La geometria del recipiente e il miscelatore non lo impediscono in modo generale. Un tempo di miscelazione breve è quindi un vantaggio di processo solo se l'omogeneità viene mantenuta fino al riempimento.
I miscelatori amixon®, a seconda della forma costruttiva e del prodotto, possono essere fatti funzionare in un ampio intervallo di grado di riempimento, da circa il 10 al 100 per cento del volume utile. Se la miscela casuale tecnicamente ideale venga effettivamente raggiunta sull'intero intervallo deve essere confermato per la ricetta concreta. In particolare con piccole quantità di riempimento, componenti molto diversi tra loro o aggiunte low-dose, il tempo di miscelazione richiesto e l'omogeneità possono variare. Per charge molto grandi, nell'intervallo di circa 10-100 m³, è disponibile il Gyraton® GM. Il dimensionamento può essere orientato verso una potenza di azionamento particolarmente bassa e la delicatezza sul prodotto, oppure verso tempi di miscelazione brevi con un corrispondente apporto di potenza più elevato.
Lo scarico è una parte decisiva del dimensionamento complessivo del processo. Il tempo guadagnato nel processo di miscelazione non deve andare perso a causa di tempi di svuotamento lunghi o di una successiva segregazione. Gli elementi ComDisc® possono favorire lo svuotamento residuo pressoché completo e convogliare in modo controllato il prodotto dalle zone vicine al fondo verso lo scarico. Nel KoneSlid® KS, un sistema di chiusura abbassabile può liberare un'ampia sezione di scarico. Con prodotti sufficientemente scorrevoli ciò consente uno svuotamento rapido nel giro di pochi secondi. Uno svuotamento residuo fino al 99,98 per cento deve tuttavia essere sempre riferito al prodotto concreto, al grado di riempimento e all'esecuzione dell'apparecchio. Per prodotti coesivi, umidi o adesivi il comportamento allo svuotamento può differire.
Le valvole DosiFlap® favoriscono un riempimento dosato e a basso spazio morto in contenitori a valle. Se lo svuotamento e il riempimento avvengano effettivamente senza segregazione deve essere verificato lungo l'intero percorso di processo. Vi rientrano lo scarico del miscelatore, le altezze di caduta, i punti di trasferimento, gli organi di trasporto, i recipienti di pesatura, i big bag, gli IBC o le macchine di confezionamento. Per ricette critiche si dovrebbero prelevare e analizzare campioni scaglionati nel tempo durante l'intero scarico.
La delicatezza sul prodotto è favorita da una modalità di miscelazione a numero di giri relativamente basso. La velocità periferica degli utensili di miscelazione può essere impostata, a seconda del miscelatore e del compito, tra circa 0,8 e 3,5 m/s. Il rimescolamento forzato SinConvex® genera l'effetto di miscelazione tramite un movimento continuo del prodotto ed evita zone marcate di lancio, urto o schiacciamento. Ciò consente di omogeneizzare particelle sensibili, granulati rivestiti o agglomerati instant con un apporto energetico meccanico e termico limitato. Se è necessaria una disagglomerazione mirata, è possibile inserire rotori di taglio in modo localizzato e limitato nel tempo. In questo modo l'intensità può essere concentrata sulla fase di processo effettivamente necessaria, senza sottoporre l'intera charge in modo permanente a una sollecitazione elevata.
Per un dimensionamento robusto, tempo di miscelazione, numero di giri, grado di riempimento, ordine di caricamento, strategia di dosaggio e condizioni di scarico vengono studiati nel centro prove amixon® con il prodotto originale. In questo modo non vengono valutati solo omogeneità e tempo di miscelazione, ma anche delicatezza sul prodotto, apporto di energia, disagglomerazione, svuotamento residuo, rischio di segregazione, pulibilità e riproducibilità. I risultati documentati costituiscono la base per la pianificazione del tempo di ciclo, della portata e della capacità prima dell'investimento.
La costruzione igienica favorisce la lavorazione sicura in presenza di frequenti cambi di prodotto ed elevati requisiti di qualità. Camere di miscelazione saldate e levigate senza fughe, organi miscelanti supportati solo in alto senza passaggio d'albero inferiore nella zona del prodotto, ampi sportelli di ispezione CleverCut® con guarnizioni OmgaSeal®, organi di scarico a basso spazio morto e lance di lavaggio integrate facilitano l'accessibilità, la pulizia e la convalida. La pulizia a secco e a umido possono così essere realizzate in modo specifico per il processo. A seconda del progetto sono possibili esecuzioni secondo EHEDG, nonché tenendo conto delle linee guida igieniche FDA e degli 3-A Sanitary Standards.