Quali tipi di miscelatori a container esistono e in cosa si differenziano?
I miscelatori a container si possono suddividere fondamentalmente in due gruppi: sistemi in cui il container stesso funge da camera di miscelazione, e impianti basati su container in cui container standard portano il prodotto a un miscelatore fisso e lo riprendono dopo il processo di miscelazione. A ciò si aggiungono principi di miscelazione differenti. Particolarmente diffusi sono i miscelatori a caduta libera o a ribaltamento, in cui viene mosso l'intero recipiente, nonché i miscelatori a container con un utensile di miscelazione attivamente azionato. Le forme costruttive si differenziano soprattutto per effetto di miscelazione, delicatezza sul prodotto, idoneità per ricette impegnative, containment e logistica di pulizia e produzione.
L'idea di base di un miscelatore a container consiste nell'includere il recipiente di trasporto o alimentazione nel processo di miscelazione. Il recipiente viene riempito, agganciato a un'unità di azionamento o a una stazione di miscelazione, miscelato lì e successivamente trasportato, immagazzinato o portato direttamente alla fase di processo successiva come recipiente di prodotto chiuso. Nel caso ottimale, riempimento, miscelazione, stoccaggio intermedio, trasporto e svuotamento avvengono nello stesso IBC. A differenza di ciò, un miscelatore fisso possiede una camera di miscelazione installata in modo permanente. Il prodotto viene trasferito da uno o più container nel miscelatore, lavorato lì e successivamente riscaricato in un container, un recipiente di processo o un impianto di confezionamento.
L'utilità pratica del concetto a container risiede soprattutto nei passaggi di prodotto ridotti o eliminati. Ogni operazione di travaso è una potenziale fonte di emissioni di polvere, perdite di prodotto, contaminazione crociata, segregazione ed esposizione dell'operatore. Se il prodotto rimane il più a lungo possibile nello stesso recipiente chiuso, diminuisce il numero di queste interfacce critiche. Ciò è particolarmente rilevante con materie prime critiche per allergeni, principi attivi ad alta potenza, polveri tossiche, irritanti o dall'odore intenso. La miscelazione basata su container consente inoltre che un IBC venga pulito, riempito o preparato per lo scarico mentre alla stazione di miscelazione viene già lavorato un altro recipiente. Ciò consente di disaccoppiare temporalmente miscelazione, pulizia e logistica; in caso di cambi di ricetta frequenti, questo può aumentare notevolmente la disponibilità dell'impianto.
La forma più semplice di miscelatore a container è il miscelatore a caduta libera o a ribaltamento. In questo caso il recipiente chiuso viene accolto in un telaio e ruotato ovvero mosso attorno a un asse orizzontale o eventualmente a più assi. Le particelle vengono sollevate ripetutamente all'interno, ricadono, si dividono e vengono nuovamente ricongiunte. L'effetto di miscelazione si basa quindi prevalentemente sul flusso libero e sulla ridistribuzione del prodotto sfuso. I miscelatori a caduta libera sono spesso molto delicati, perché lavorano senza utensili di miscelazione a rotazione rapida, forte taglio o elevati apporti di forza locali. Granulati fragili, agglomerati friabili o particelle sensibili all'abrasione possono così essere ben preservati in condizioni idonee. Un Bin Blender o miscelatore a ribaltamento IBC è un'esecuzione tipica di questo principio.
La particolare delicatezza di un miscelatore a caduta libera è tuttavia legata a presupposti chiari. I componenti dovrebbero essere secchi, ben scorrevoli e possibilmente simili per dimensione delle particelle, densità apparente e comportamento di scorrimento. Non dovrebbero tendere ad aderire, a formare grumi o a caricarsi elettrostaticamente in modo marcato. Anche il grado di riempimento del recipiente deve corrispondere alla geometria e alla sequenza di movimento. Se i componenti hanno densità o dimensioni delle particelle molto diverse, durante il flusso libero possono seguire traiettorie di movimento differenti. In tal caso esiste il rischio che la miscela non migliori, ma si segreghi nuovamente. Ciò vale in particolare per polveri molto fini e coesive, per prodotti umidi o appiccicosi, per ricette con componenti dosati in piccole quantità e per miscele con proprietà delle materie prime molto diverse tra loro. Un miscelatore a caduta libera non dovrebbe quindi essere scelto solo per la sua grande delicatezza sul prodotto. La sua idoneità deve essere verificata praticamente con la ricetta reale e il grado di riempimento previsto.
Una seconda forma costruttiva sono i miscelatori a container con un utensile di miscelazione attivo. In questo caso il recipiente resta fondamentalmente la camera di miscelazione durante la miscelazione. Una testa di miscelazione viene tuttavia introdotta dall'alto o lateralmente nel container e genera un rimescolamento definito del prodotto. L'utensile può muovere il prodotto sfuso tridimensionalmente e coinvolgere in modo mirato diverse zone del recipiente. Ciò consente di gestire anche compiti di miscelazione più impegnativi, ad esempio quando i componenti hanno densità apparenti e dimensioni delle particelle diverse, quando una quantità molto piccola di un additivo deve essere incorporata in modo omogeneo, oppure quando devono essere introdotti liquidi, sospensioni, paste o componenti umidi.
Un miscelatore a container attivo può avere una finestra di impiego notevolmente più ampia rispetto a un puro miscelatore a caduta libera. Può generare un flusso di prodotto mirato, sciogliere agglomerati, evitare nidi locali di materie prime e migliorare l'omogeneità anche con prodotti a scorrimento più difficile. La maggiore capacità di processo comporta tuttavia una sfida costruttiva: l'utensile di miscelazione deve immergersi nel recipiente e uscire nuovamente dopo il processo di miscelazione. Ciò richiede un'apertura del container relativamente grande. Con prodotti polverosi, tossici, pericolosi per la salute o dall'odore intenso, questa interfaccia aperta è impegnativa, perché durante l'inserimento e l'estrazione dell'utensile può essere rilasciata polvere. Un container con utensile di miscelazione attivo è quindi particolarmente adatto a prodotti che richiedono sì un effetto di miscelazione preciso e attivo, ma il cui potenziale di polverosità e pericolosità sia controllabile o per i quali sia disponibile un adeguato concetto di containment.
Un'altra variante importante è l'impianto di miscelazione basato su container con miscelatore fisso. In questo caso il container stesso non resta la camera di miscelazione. IBC standard fungono da recipienti chiusi di alimentazione e ricezione. Vengono agganciati all'ingresso di un miscelatore fisso installato, il prodotto viene trasferito a tenuta di polvere nella camera di miscelazione e, dopo il processo di miscelazione, riscaricato in un IBC. Il processo di miscelazione avviene, ad esempio, in un miscelatore conico, un miscelatore verticale o un altro miscelatore di precisione fisso. Questo concetto unisce i vantaggi logistici dei container standardizzati a una camera di miscelazione il cui utensile, geometria, aggiunta di liquido, termoregolazione, tecnica del vuoto e organo di scarico possono essere progettati in modo mirato per la rispettiva ricetta.
Un impianto di miscelazione fisso con collegamento a IBC standard è spesso la soluzione più robusta per prodotti sfusi polverosi, tossici, critici per allergeni, dall'odore intenso o ad alta potenza. Gli IBC standard possiedono di norma un bocchettone di riempimento e uno di scarico con valvole di chiusura idonee. Possono essere collegati a stazioni di aggancio a tenuta di polvere. Tali stazioni possono essere dotate, a seconda del compito, di dispositivi di pesatura, ausili vibranti, filtri, valvole automatizzate o soluzioni di containment estese. Così le operazioni di trasferimento del prodotto restano controllabili, sebbene il miscelatore sia uno spazio di processo separato. Per compiti di miscelazione complessi, aggiunte di liquido, prodotti umidi, proprietà delle materie prime molto diverse o elevati requisiti di omogeneità, questo concetto è spesso più adatto di un puro miscelatore a ribaltamento IBC.
La differenza tra un container come camera di miscelazione e un miscelatore fisso con collegamento a container non risiede quindi solo nella tecnica di miscelazione, ma anche nell'organizzazione della produzione. Se il container stesso viene miscelato, la stazione di miscelazione può restare in gran parte priva di prodotto. L'IBC viene rimosso dopo il processo, trasportato ulteriormente e, se necessario, pulito al di fuori della stazione di miscelazione. Ciò facilita i cambi di ricetta e può ridurre le contaminazioni crociate. Per questo devono essere disponibili un numero sufficiente di container, superfici di stoccaggio, possibilità di pulizia e una logistica dei recipienti funzionante. Se viene utilizzato un miscelatore fisso, la camera di miscelazione, i percorsi del prodotto, le valvole di scarico ed eventuali componenti interni devono essere puliti e validati. In cambio, il miscelatore può essere progettato per un gran numero di ricette diverse e ottimizzato per compiti di miscelazione impegnativi.
In caso di cambi di prodotto frequenti e dimensioni di lotto moderate, il concetto IBC può essere particolarmente economico. Mentre un recipiente viene miscelato, un altro IBC può già essere riempito con materie prime. Un terzo recipiente può essere pulito, controllato o preparato per il confezionamento. La vera e propria stazione di miscelazione non deve quindi attendere la pulizia o la preparazione del container successivo. Con lotti grandi e costanti, un miscelatore fisso può invece offrire vantaggi, perché fornisce un'elevata capacità per superficie di installazione e può essere azionato in modo efficiente per una famiglia di prodotti costante.
La scelta del container adatto è altrettanto importante quanto la scelta del miscelatore. Determinanti non sono solo il volume nominale e le dimensioni esterne. Il container deve corrispondere al comportamento di scorrimento del prodotto. Un IBC rotondo può svuotarsi in modo più favorevole, mentre un recipiente squadrato sfrutta meglio lo spazio disponibile. L'angolo del cono, il diametro del bocchettone di scarico, il tipo di valvola di chiusura e la finitura superficiale influenzano se la polvere possa essere scaricata in sicurezza, nel modo più completo possibile e senza segregazione. Con prodotti coesivi, umidi, caricabili elettrostaticamente o soggetti a formazione di ponti, possono essere necessari scarichi più grandi, coni più ripidi, ausili vibranti idonei o altri ausili al flusso. Per i prodotti critici sono inoltre importanti la tenuta delle valvole, l'idoneità per la pulizia a umido o a secco, la qualità superficiale e possibili concetti WIP o CIP.
I miscelatori a container a caduta libera non fanno parte del programma di produzione di amixon GmbH. Per i processi di miscelazione basati su container, amixon® offre tre concetti diversi: il miscelatore per fusti EM per fusti normalizzati, il miscelatore a container classico COM, in cui il container per solidi sfusi funge esso stesso da camera di miscelazione, nonché il miscelatore conico AM, che viene riempito e svuotato nuovamente con container standard per solidi sfusi. I sistemi si differenziano soprattutto per dimensione del lotto, principio di miscelazione, containment del prodotto, onere di pulizia e possibilità di disaccoppiare temporalmente le fasi di lavoro nella produzione.
Il miscelatore per fusti EM è progettato per l'impiego con fusti normalizzati. Si riempie autonomamente con il contenuto di un fusto collegato ed elabora lotti fino alla dimensione di un fusto normalizzato da 200 litri. Il sistema è particolarmente adatto a lotti da piccoli a medi, quando le materie prime sono già disponibili in fusti o quando la dimensione del lotto deve essere volutamente limitata al volume del fusto. Il particolare punto di forza del miscelatore per fusti risiede nella sua integrazione compatta e semplice in processi basati su fusti. Il suo limite risiede al contempo nella dimensione massima del lotto: per quantità maggiori, elevati throughput o una logistica di produzione basata su IBC, un altro concetto di miscelazione è di norma più vantaggioso.
Il miscelatore a container classico COM lavora con il container per solidi sfusi come recipiente di miscelazione. Il container viene posizionato e aperto presso la stazione di miscelazione. Successivamente un utensile di miscelazione a spirale, che lavora in modo dinamico, si inserisce dall'alto nella polvere in miscelazione. Durante il processo di miscelazione genera un rimescolamento tridimensionale mirato del prodotto. Al termine del lavoro di miscelazione, l'utensile di miscelazione esce lentamente dal prodotto in miscelazione in funzionamento reversibile. Il lotto miscelato rimane nello stesso container e può essere trasportato direttamente, immagazzinato temporaneamente, confezionato o inviato alla fase di processo successiva.
Il vantaggio essenziale del concetto COM consiste nel fatto che il container accompagna il percorso del prodotto attraverso la produzione. Le materie prime possono essere preparate nel container, la miscela nasce nello stesso recipiente, e anche il trasporto del prodotto finito avviene senza un nuovo travaso. Ciò elimina ulteriori punti di trasferimento. Meno trasferimenti riducono il rischio di perdite di prodotto, rilascio di polvere, contaminazione crociata e segregazione. Inoltre un container usato può essere pulito o un altro container preparato con materie prime, mentre alla stazione di miscelazione viene già lavorato il lotto successivo.
Grazie all'utensile di miscelazione a spirale attivo, il miscelatore a container COM non è limitato alle pure miscelazioni a caduta libera. Può generare un flusso di prodotto definito ed è quindi adatto anche a compiti di miscelazione più impegnativi. Componenti con densità apparenti diverse, dimensioni delle particelle diverse o quote di dosaggio basse possono essere distribuiti in modo più mirato rispetto a un puro miscelatore a ribaltamento o a caduta libera. Anche liquidi o componenti umidi possono in linea di principio essere introdotti nel prodotto in miscelazione, a condizione che comportamento del prodotto, durata di miscelazione e conduzione di processo vengano adattati di conseguenza.
La particolare caratteristica costruttiva del COM risiede tuttavia nel fatto che l'utensile di miscelazione deve immergersi nel container dall'alto. Per questo il container necessita di un'ampia sezione trasversale aperta. Con prodotti non critici, non polverosi, non tossici e neutri dal punto di vista dell'odore, ciò è in molti casi ben controllabile. Con polveri polverose, pericolose per la salute, critiche per allergeni o ad alta potenza, questa interfaccia è più impegnativa. Durante l'inserimento e specialmente durante l'estrazione dell'utensile di miscelazione può essere rilasciata polvere. Per tali prodotti un sistema chiuso con IBC standard e stazioni di aggancio a tenuta di polvere è spesso più adatto.
Il terzo concetto è il miscelatore conico amixon® AM, che viene riempito e svuotato nuovamente con container standard per solidi sfusi. A differenza del COM, in questo caso l'IBC non è la camera di miscelazione. Funge da recipiente di alimentazione, trasporto e ricezione. Il vero e proprio processo di miscelazione avviene nel miscelatore conico installato in modo fisso. Un container standard riempito con materie prime viene agganciato al bocchettone di riempimento del miscelatore. Dopo l'apertura della valvola, il prodotto sfuso fluisce nella camera di miscelazione. Successivamente la valvola di riempimento si chiude, il container viene rimosso e il processo di miscelazione inizia. Al termine del tempo di miscelazione, un IBC vuoto viene posizionato sotto il miscelatore e riempito con il prodotto finito.
Questo concetto unisce i vantaggi logistici degli IBC standardizzati con l'elevata flessibilità di processo di un miscelatore di precisione fisso. Il miscelatore conico può essere progettato per ricette complesse, proprietà delle particelle diverse, elevati requisiti di omogeneità ed eventuali aggiunte di liquido. Allo stesso tempo, materie prime e prodotto finito restano al di fuori del processo di miscelazione in recipienti chiusi e trasportabili. Per prodotti polverosi, tossici, dall'odore intenso, critici per allergeni o di alto valore, ciò può essere particolarmente vantaggioso. I trasferimenti tra container e miscelatore possono essere assicurati con stazioni di aggancio a tenuta di polvere, valvole di chiusura idonee, bilance, ausili vibranti, filtri e tecnica di containment avanzata.
Un vantaggio importante del miscelatore conico con logistica IBC standard risiede nel disaccoppiamento temporale e spaziale delle singole fasi di produzione. Le materie prime possono essere composte e pesate nel container mentre il miscelatore viene ancora pulito o sta lavorando un ordine precedente. Mentre il lotto già miscelato viene confezionato o trasportato ulteriormente, il miscelatore può già lavorare il lotto successivo. Caricamento, miscelazione, svuotamento, confezionamento, pulizia del miscelatore, pulizia del container e pulizia delle macchine a valle non devono quindi avvenire in sequenza. Proprio con cambi di prodotto frequenti e un gran numero di ricette diverse, i tempi di attesa possono essere ridotti e la capacità produttiva migliorata.
Il miscelatore conico AM può essere realizzato, in caso di altezza dei locali limitata, con un sistema di sollevamento e abbassamento. In un impianto di miscelazione basato su container classico sarebbero di norma necessari tre livelli: un livello per il container di alimentazione riempito sopra il miscelatore, il livello del miscelatore e un livello per il container di ricezione sotto il miscelatore. L'altezza dell'edificio necessaria risulta dall'altezza di entrambi i container e dalla camera di miscelazione interposta. Con un sistema di sollevamento e abbassamento il miscelatore può essere abbassato per il riempimento. Il container di alimentazione viene posizionato sul bocchettone di riempimento e svuotato. Successivamente il container viene rimosso, il miscelatore sale e un container di ricezione vuoto viene predisposto sotto lo scarico. In questo modo un impianto di miscelazione basato su container può essere realizzato anche quando l'altezza dei locali non è sufficiente per un impianto a tre livelli sovrapposti.
Con prodotti ben scorrevoli, il miscelatore conico può essere svuotato in modo ampiamente completo. Ciò riduce le perdite di prodotto, facilita i cambi di ricetta e riduce il rischio che quantità residue del lotto precedente influenzino la miscela successiva. A seconda del requisito di processo, miscelatore e container possono essere pesati. La miscela finita può essere scaricata non solo in container standard, ma anche in big bag, sacchi o direttamente in una macchina di confezionamento. I bocchettoni di carico e scarico possono essere dotati di dispositivi di aggancio, soluzioni di containment o raccordi per big bag.
Anche la pulizia è un criterio di scelta essenziale. Nel miscelatore conico fisso, porte di ispezione di grandi dimensioni consentono un buon accesso alla camera di miscelazione. A seconda del prodotto e del concetto igienico, l'impianto può essere pulito a secco o a umido. Mentre l'impianto di miscelazione viene pulito, altri container possono essere riempiti, puliti, preparati o portati al confezionamento. Il disaccoppiamento di tempo di miscelazione, tempo di pulizia e logistica dei container aumenta la flessibilità dell'intero impianto.
Il miscelatore per fusti EM è quindi particolarmente adatto a lotti basati su fusti fino a circa 200 litri. Il miscelatore a container COM è vantaggioso quando il container per solidi sfusi deve fungere contemporaneamente da recipiente di miscelazione, stoccaggio e trasporto e quando il prodotto è non critico dal punto di vista di polverosità, odore e pericolosità. Il miscelatore conico AM con carico e scarico tramite IBC standard è particolarmente adatto a compiti di miscelazione più grandi o impegnativi, a ricette con elevati requisiti di qualità di miscelazione, a prodotti polverosi o pericolosi per la salute, nonché a stabilimenti di produzione che desiderano organizzare in modo flessibile caricamento, miscelazione, confezionamento e pulizia.