Come pianificare uno scale-up dal centro prove alla produzione per miscele di spezie mantenendo tempi e qualità di miscelazione?
L'obiettivo di uno scale-up di miscele di spezie consiste nell'assicurare l'omogeneità raggiunta in laboratorio o nel centro prove, i tempi di miscelazione e il trattamento delicato degli ingredienti anche con quantità di sfuso, impianti e ambienti di processo notevolmente più grandi.
Le miscele di spezie sono in ciò particolarmente impegnative, poiché contengono componenti con dimensioni delle particelle e densità apparenti molto diverse. Esempi sono il pepe grossolano e la polvere fine di paprica, il sale pesante e le erbe leggere. Si aggiungono proprietà di scorrimento e coesione diverse, microcomponenti con quantità di impiego molto piccole quali aromi o vitamine nonché componenti sensibili all'umidità e ai grassi quali gli oli aromatici ed essenziali. Uno scale-up puramente volumetrico 1:1 porta qui frequentemente a una sensorialità divergente e deve essere sostituito da una pianificazione sistematica dello scale-up.
Prima di ogni scale-up vengono caratterizzate le proprietà di sfuso dei singoli componenti e della miscela finale. Vi rientrano per esempio la distribuzione granulometrica, la densità apparente e la densità battuta, l'angolo di riposo e l'attrito di parete, l'umidità residua e l'attività dell'acqua, il contenuto di grassi ovvero di oli e la tendenza alle adesioni. Parallelamente viene documentato il processo di miscelazione consolidato nel centro prove, poiché costituisce il riferimento per la scala di produzione. Vengono in ciò documentati, tra l'altro, tipo di miscelatore, grado di riempimento, numero di giri, tempo di miscelazione, apporto di energia e ordine di aggiunta.
Per un comportamento di miscelazione trasferibile sono determinanti tre criteri di similitudine:
- similitudine geometrica (stesso principio costruttivo, rapporti lunghezza-diametro confrontabili, geometria dell'utensile analoga)
- similitudine cinematica (mantenimento della caratteristica di movimento del letto di miscelazione, per esempio tramite un numero di Froude costante per descrivere il rapporto tra forze centrifughe e forza di gravità)
- similitudine dinamica (sollecitazione e apporto di energia per particella confrontabili, per evitare rottura, abrasione e perdita di aroma)
Il numero di giri nel miscelatore di produzione deve in ciò essere adattato al raggio maggiore, affinché il regime di miscelazione si conservi e l'apporto specifico di energia si collochi nello stesso campo. Il numero di Froude svolge in ciò un ruolo soltanto per i sistemi di miscelazione con utensile di miscelazione supportato in orizzontale.
Nello scale-up il miscelatore di produzione dovrebbe essere geometricamente il più possibile simile all'unità del centro prove, idealmente con lo stesso principio di miscelazione in una taglia maggiore. Per le miscele di spezie si sono affermati i seguenti tipi di miscelatore collaudati:
- miscelatori verticali a elica per una miscelazione tridimensionale a bassa velocità periferica,
- miscelatori conici con albero miscelante centrale per un ampio campo di grado di riempimento,
- miscelatori a vomeri o a pale per un'elevata qualità di miscelazione con grandi differenze di densità,
- miscelatori conici a coclea con coclea a movimento planetario per un trattamento particolarmente delicato delle foglie di erbe sensibili,
- miscelatori a nastro (ribbon blender) per lotti grandi con tempi di miscelazione più lunghi nonché
- miscelatori a due alberi per tempi di miscelazione brevi con dimensioni di lotto elevate.
I miscelatori sovraccarichi generano zone morte e prolungano il tempo di miscelazione, mentre gradi di riempimento troppo bassi riducono il rendimento del rotore di taglio, il che può ripercuotersi negativamente sull'omogeneità. Al tempo stesso, alla grande scala cambiano la pressione di ristagno e il rapporto tra superficie e volume, il che influenza le condizioni di attrito e la formazione di depositi, in particolare con miscele contenenti oli.
I componenti sensibili quali le foglie di erbe o i pezzi di verdura e di frutta liofilizzati reagiscono in modo sensibile a un'elevata sollecitazione meccanica. Se la velocità periferica aumenta troppo fortemente nello scale-up, abrasione e rottura crescono.
La qualità di miscelazione dovrebbe essere rilevata quantitativamente, tipicamente tramite il coefficiente di variazione di un componente guida o tracciante. Nel centro prove vengono prelevati campioni in momenti definiti, per ottenere una curva tempo di miscelazione-qualità di miscelazione e determinare il punto di miscelazione ottimale. Alla scala di produzione viene inoltre eseguito un campionamento multipunto da zone diverse del miscelatore, per ottenere dati rappresentativi sull'omogeneità ed evitare una miscelazione eccessiva. Tempi di miscelazione troppo lunghi possono infatti a loro volta favorire una demiscelazione per segregazione o per effetto delle forze centrifughe.
Altrettanto importanti sono la conduzione della ricetta, l'ordine di aggiunta e la strategia di dosaggio. I microcomponenti vengono frequentemente prediluiti tramite premiscele con una parte di un componente principale, per evitare errori di dosaggio e sovraconcentrazioni locali. L'ordine di aggiunta viene ottimizzato in modo che i componenti molto pesanti o molto fini non si separino precocemente. I componenti oleosi e aromatici vengono dosati preferibilmente tramite sistemi di spruzzatura o di iniezione, per poter controllare la dimensione delle gocce, la bagnatura e la formazione di grumi. Al tempo stesso l'apporto di taglio viene governato in modo mirato, per ottenere una buona distribuzione con struttura conservata.
Molte deviazioni di qualità nascono solo nelle fasi di processo a valle. Le altezze di caduta dovrebbero pertanto essere minimizzate e i percorsi di trasporto mantenuti il più possibile brevi. Andrebbero inoltre scelti principi di trasporto che non favoriscano la segregazione. Idealmente lo scarico dai sili e dalle tramogge viene dimensionato per il flusso di massa. Le correnti d'aria possono infatti trasportare selettivamente le particelle fini e disturbare così l'omogeneità.
Alla scala di produzione va inoltre monitorato l'apporto specifico di energia. Un apporto di energia aumentato porta a riscaldamento e può compromettere gli oli aromatici e i componenti volatili. Si può arrivare a condensazione nel prodotto finale confezionato.
I principi fondamentali si possono riassumere come segue:
- scegliere un tipo di miscelatore geometricamente simile dal centro prove alla produzione,
- mantenere il più possibile il regime di miscelazione tramite parametri idonei,
- mantenere costante il grado di riempimento,
- dimostrare quantitativamente la qualità di miscelazione,
- assicurare la delicatezza sul prodotto mediante velocità periferica limitata e apporto di energia controllato,
- introdurre microcomponenti e additivi liquidi in modo sicuro dal punto di vista del processo,
- verificare i processi a valle rispetto ai rischi di demiscelazione,
- mettere in sicurezza lo scale-up attraverso più livelli di validazione.
Così amixon® pianifica un programma di prove e di scale-up nel centro prove
Innanzitutto vengono definiti con precisione gli obiettivi del gestore. Vi rientrano la qualità di miscelazione richiesta, per esempio un RSD obiettivo, il grado di svuotamento, i requisiti di delicatezza sul prodotto quali l'integrità delle particelle e un apporto di calore limitato, nonché l'intervallo previsto delle dimensioni di lotto e il tempo ciclo. Le esperte e gli esperti amixon® traducono questi criteri in un programma di prove strutturato su un impianto di prova idoneo. La taglia viene scelta in modo da corrispondere alla quantità di prodotto disponibile.
Le prove seguono una variazione sistematica dei parametri. Vengono variate le grandezze rilevanti per la scalatura: tempo di miscelazione, velocità periferica degli utensili di miscelazione nel campo da circa 0,8 a 3,5 m/s, grado di riempimento nonché – se rilevanti – portata di dosaggio e tipo di aggiunta del liquido. I liquidi possono essere introdotti tramite lance o ugelli bifluido, con o senza rotore di taglio. Per ogni punto di prova vengono prelevati campioni e determinata la qualità di miscelazione. I gradi di svuotamento vengono verificati gravimetricamente. La base è la congruenza dei sistemi di miscelazione amixon® e la loro frequenza di rimescolamento.
Il volume di trasporto I_V viene descritto tramite la geometria e i dati di esercizio. Si ricava da I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D e d indicano il diametro esterno e interno dell'elica, Φ il grado di riempimento riferito al volume utile, S il passo dell'elica, n la frequenza di rotazione in giri al secondo e ζ il coefficiente di velocità specifico dell'utensile e del prodotto. Da ciò si vede che l'intero volume della camera di miscelazione viene già dopo pochi giri completamente attraversato e destratificato.
I parametri determinati vengono trasferiti alla scala di produzione. I miscelatori del centro prove e di produzione lavorano con lo stesso principio di miscelazione del flusso totale SinConvex®. La scalatura avviene tramite la formula del rimescolamento, cioè tramite la portata volumetrica di trasporto dell'organo miscelante elicoidale e la frequenza di rimescolamento da essa derivata, e non tramite il solo numero di giri. La griglia delle taglie in passi da 100 litri fino a 50.000 litri – nel silo miscelatore Gyraton® in passi da 1 m³ fino a circa 100 m³ – consente un dimensionamento esatto sulla dimensione di lotto obiettivo desiderata senza rottura della similitudine. Si può scegliere tra miscelatori verticali a un albero (tipo VM), miscelatori verticali a due alberi (tipo HM), miscelatori conici (tipo AM), miscelatori KoneSlid® (tipo KS), miscelatori a sfera cava SpherHelics® (tipo SH), silo miscelatore Gyraton® (tipo GM) e il miscelatore continuo conico (tipo AMK). Così amixon® consiglia il cliente in modo aperto quanto al risultato, onesto e orientato all'applicazione.
La documentazione delle prove serve come base affidabile per l'investimento. I test vengono eseguiti, valutati e documentati integralmente in modo congiunto. Un rapporto di prova conferma i parametri di processo in condizioni reali e indica l'apparecchio ottimale. Questi risultati confluiscono direttamente nella specifica dell'impianto (URS). RSD obiettivo, gradi di svuotamento e tempi ciclo vengono definiti in modo contrattualmente affidabile. I rischi tecnici ed economici vengono così chiariti prima dell'investimento e non soltanto durante l'esercizio.
Per tè, erbe e spezie amixon® miscela in modo particolarmente delicato. La conduzione a basso numero di giri conserva le foglie fragili e le particelle sensibili. La camera di miscelazione si può svuotare quasi senza residui e la pulizia avviene rapidamente. Cambi frequenti di ricetta sono così possibili in sicurezza di processo. Il Gyraton® GM omogeneizza spezie, tè e caffè in grandi lotti fino a 100 m³.
La produzione a Paderborn è il fondamento qualitativo di amixon®. Sviluppo e produzione avvengono esclusivamente nello stabilimento di Paderborn con un'elevata integrazione verticale. Tutti i componenti provengono da fonti qualificate in Germania. In quanto azienda qualificata per la saldatura certificata con qualifiche europee, giapponesi, coreane e americane, amixon® progetta ogni apparecchio come pezzo unico sulla base delle URS del gestore. Il controllo qualità resta senza lacune nella propria sede e ogni specifica è documentabile fino al livello del singolo componente. Questa sovranità produttiva assicura al tempo stesso la fornitura a lungo termine. Ogni componente è riproducibile e rifabbricabile anche dopo decenni.