Quali vantaggi offrono utensili di miscelazione adattabili per prodotti mutevoli in un miscelatore industriale?
Gli utensili di miscelazione adattabili aumentano la flessibilità di un miscelatore industriale quando prodotti, ricette o dimensioni di charge cambiano. Consentono di adeguare in modo mirato intensità di miscelazione, movimento del prodotto, disagglomerazione, apporto di liquido e protezione dall'usura alle proprietà del rispettivo prodotto da miscelare, senza dover installare un impianto completamente nuovo per ogni compito.
Flessibilità di processo
Con prodotti che cambiano, i requisiti spesso differiscono notevolmente. Le polveri ben scorrevoli necessitano soprattutto di un rimescolamento convettivo uniforme. Le polveri coesive possono richiedere una disagglomerazione aggiuntiva. I granulati sensibili, le fibre, le particelle rivestite o i cristalli, invece, dovrebbero subire la minor sollecitazione possibile di taglio, urto e schiacciamento. Elementi di utensile adattabili, ad esempio pale, palette, eliche, coltelli, raschiatori o utensili di miscelazione intensiva, consentono di adeguare il movimento del prodotto a queste differenze.
L'adattabilità può essere realizzata in modi diversi. In alcuni miscelatori gli utensili vengono effettivamente sostituiti, ad esempio quando si passa da una geometria a pale delicata a un utensile a effetto più intensivo. In altri casi l'utensile di base rimane nell'apparecchio e l'intensità del processo viene adattata tramite numero di giri, senso di rotazione, attivazione limitata nel tempo di chopper, strategia di dosaggio o grado di riempimento. Nella pratica, la seconda soluzione è spesso più rapida, perché non richiede alcuna trasformazione meccanica né una nuova pulizia dopo un cambio di utensile.
Una maggiore flessibilità, tuttavia, non significa automaticamente che ogni ricetta possa essere lavorata sullo stesso impianto senza una nuova verifica. Se struttura delle particelle, coesività, umidità, quote di dosaggio, ricetta, grado di riempimento, materiali a contatto con il prodotto o livello igienico richiesto cambiano in modo sostanziale, tempo di miscelazione, numero di giri, omogeneità, svuotamento e pulizia devono essere verificati per il nuovo compito.
Qualità di miscelazione e delicatezza
La geometria dell'utensile determina quali processi di miscelazione dominano nel recipiente. Pale, eliche o nastri elicoidali di grande superficie favoriscono soprattutto flussi di prodotto convettivi e possono rimescolare l'intero volume della charge in modo relativamente delicato. Coltelli intensivi, chopper o sistemi rotore-statore generano localmente forze di taglio maggiori e sono adatti a disgregare agglomerati o a distribuire più finemente un'aggiunta di liquido. I raschiatori possono limitare, con prodotti appiccicosi o umidi, l'accumulo sulla parete e aiutare a coinvolgere nella miscelazione tutte le zone del prodotto.
La possibilità di selezionare o combinare queste funzioni secondo necessità aiuta a risolvere il conflitto di obiettivi tra omogeneizzazione rapida e delicatezza sul prodotto. Un granulato sensibile può essere ad esempio dapprima omogeneizzato a basso numero di giri. Se singoli agglomerati devono essere disciolti, un utensile intensivo può essere fatto funzionare solo per una fase breve e definita. Successivamente la charge viene nuovamente rimescolata a bassa sollecitazione meccanica. In questo modo diminuiscono il rischio di rottura delle particelle, la formazione di fine, l'abrasione, il riscaldamento indesiderato e le variazioni della distribuzione granulometrica.
Una configurazione dell'utensile scelta in modo adeguato al prodotto può accorciare il tempo di miscelazione, perché il movimento del prodotto richiesto viene generato in modo mirato. Ciò non significa tuttavia che un utensile più intensivo sia sempre migliore. Un numero di giri troppo elevato, un tempo di miscelazione troppo lungo o un taglio inutilmente elevato possono segregare nuovamente la miscela, danneggiare le particelle sensibili o aumentare i requisiti di pulizia. L'obiettivo ottimale è quindi la finestra di processo robusta più piccola, in cui l'omogeneità richiesta venga raggiunta in modo affidabile.
Pulizia e usura
Gli utensili adattabili possono migliorare pulizia e cambio di prodotto se sono realizzati con superfici lisce e ben accessibili, distanze utensile-parete definite e il minor numero possibile di zone di ritenzione. Geometrie di raschiamento e deviazione idonee possono limitare l'accumulo sulla parete e i depositi sul fondo. Ciò riduce i residui di prodotto, l'onere di pulizia e il rischio di contaminazioni crociate. Nei prodotti critici per gli allergeni, farmaceutici o ad alta purezza, tuttavia, tutte le zone a contatto con il prodotto – inclusi alberi, guarnizioni, valvole di scarico, coperchi, filtri e punti di dosaggio – devono essere incluse nella convalida della pulizia.
Nei prodotti da miscelare abrasivi, elementi di usura modulari o sostituibili possono essere economicamente vantaggiosi. Anziché sostituire l'intero rotore, è possibile sostituire in modo mirato pale, palette, raschiatori o segmenti di protezione particolarmente sollecitati. Grazie a una scelta idonea dei materiali, acciai induriti, metallo duro, materie plastiche adatte o rivestimenti ceramici possono essere impiegati solo dove tecnicamente necessario. Utensili a cambio rapido e utilizzabili su entrambi i lati possono ridurre i tempi di fermo, nonché i costi di ricambi e manutenzione. Un esempio di concetto di utensile modulare cita la sostituzione rapida di tutti i componenti di usura a contatto con il prodotto e costi di usura inferiori grazie a lame di miscelazione utilizzabili su entrambi i lati.
Ulteriori funzioni di processo
L'adattamento dell'utensile può essere combinato con ulteriori opzioni di attrezzatura. Lance di liquido, ugelli spruzzatori o ugelli bifluido consentono l'introduzione mirata di leganti, oli, soluzioni o sospensioni. Il movimento dell'utensile distribuisce questi liquidi nel volume di prodotto; con un dimensionamento idoneo, le frazioni fini possono essere legate a particelle portanti più grossolane, la polvere può essere ridotta o si possono generare effetti di granulazione e coating.
Le camicie di termoregolazione o gli utensili termoregolabili possono essere rilevanti quando il prodotto deve essere riscaldato, raffreddato, essiccato, condizionato o miscelato a temperatura definita. L'attrezzatura per vuoto o inertizzazione può essere necessaria per prodotti contenenti solventi, sensibili all'ossidazione o all'umidità, nonché soggetti a esplosione di polveri. La sensoristica inline come NIR, Raman, coppia, temperatura, umidità o misura della pressione può integrare il controllo, purché il punto di misura e il modello di valutazione siano convalidati per la ricetta critica.
Scale-up e convalida
Gli utensili di miscelazione adattabili possono facilitare il passaggio dalla scala di laboratorio a quella di produzione, ma non sostituiscono uno sviluppo sistematico dello scale-up. Nello scale-up devono essere considerati insieme geometria del recipiente, diametro dell'utensile, distanze dalla parete, grado di riempimento, numero di giri, velocità periferica, densità di potenza e tempo di miscelazione. La similitudine geometrica, nonché parametri come la velocità periferica o l'apporto di potenza specifico, possono fornire un orientamento importante. Una velocità periferica o una densità di potenza costanti da sole, tuttavia, non garantiscono che flusso di prodotto, omogeneità e delicatezza sul prodotto vengano trasferiti in modo identico. Geometria dell'utensile e proprietà effettive del prodotto restano determinanti.
Le prove di miscelazione con il prodotto originale sono quindi la base più sicura per stabilire la dotazione di utensili idonea e la finestra di processo. In questo caso dovrebbero essere esaminati non solo qualità e tempo di miscelazione, ma anche rottura delle particelle, quota di fine, sviluppo di temperatura, distribuzione del liquido, abrasione, svuotamento residuo, pulibilità e stabilità della miscela dopo scarico e trasporto. Per gamme di prodotti con grande varianza, dovrebbe essere testato di volta in volta il prodotto più critico: ad esempio la ricetta più coesiva, più abrasiva, più sensibile o dosata a livello più basso.
Utensili di miscelazione adattabili e attrezzatura: la sistematica amixon® per prodotti che cambiano
Un principio di utensile, molti stati di esercizio
I miscelatori amixon® di norma non necessitano di kit di riattrezzaggio meccanico né della sostituzione degli utensili di miscelazione per prodotti che cambiano. L'organo miscelante a nastro elicoidale SinConvex® rimane nel miscelatore anche quando le caratteristiche del prodotto sfuso cambiano notevolmente – da particelle grossolane e sensibili fino a polveri fini o nanostrutturate, da prodotti sfusi ben scorrevoli fino a sistemi coesivi, umidi o in sospensione. Determinante per la qualità di miscelazione non è il cambio dell'utensile, bensì la conduzione dell'esercizio adattata individualmente al compito di miscelazione.
La geometria SinConvex® genera un rimescolamento forzato tridimensionale. Il prodotto viene convogliato verso l'alto nella zona vicina alla parete, fluisce al centro nuovamente verso il basso sotto l'effetto della gravità e viene ricondotto continuamente nella zona di miscelazione attiva. Questo movimento controllato del prodotto può essere impiegato per sistemi solidi secchi, umidi e in sospensione. Anche con densità apparenti e dimensioni delle particelle molto diverse tra loro, i parametri di esercizio possono essere impostati in modo da raggiungere l'omogeneità richiesta. Per le miscele con grandi differenze tra i componenti occorre tuttavia sempre verificare se la miscela resta stabile anche allo scarico, durante il trasporto e il riempimento.
L'adattamento avviene tramite la conduzione dell'esercizio. Vi rientrano tempo di miscelazione, numero di giri dell'utensile ovvero velocità periferica, grado di riempimento, ordine delle aggiunte di materie prime, punti di dosaggio, tempi di dosaggio, eventuale senso di rotazione, aggiunta di liquido, temperatura e pressione. La velocità periferica dell'utensile può essere impostata, a seconda della forma costruttiva e del compito di miscelazione, in un intervallo di circa 0,8-3,5 m/s. Per i prodotti sensibili si sceglie una conduzione particolarmente delicata, a basso numero di giri. Nelle polveri coesive, negli agglomerati o nei componenti minori difficili da disperdere, l'intensità può essere aumentata in modo mirato. Se è necessaria una disagglomerazione locale, i rotori di taglio o gli HighShearBlade possono essere attivati per un tempo limitato. Gli utensili di miscelazione di base restano in questo caso invariati; viene adattato solo lo stato di processo.
Anche le aggiunte di liquido possono essere integrate nella conduzione del prodotto senza cambio di utensile. Lance, ugelli spruzzatori o ugelli bifluido introducono leganti, oli, soluzioni o sospensioni in una zona di miscelazione attiva. Ciò consente, ad esempio, l'inumidimento di polveri coesive, la distribuzione uniforme di additivi, il legame di particelle fini a supporti più grossolani o il coating di particelle solide. Quantità, dimensione delle gocce, momento di dosaggio e tempo di miscelazione successivo vengono adattati, come parte della conduzione dell'esercizio, alla rispettiva ricetta. Nei processi sensibili alla temperatura o condotti termicamente, un doppio mantello integra le opzioni di processo tramite riscaldamento o raffreddamento.
Ogni ricetta riceve un proprio programma di miscelazione nel PLC. Questo programma può contenere valori nominali e tolleranze per tempo di miscelazione, numero di giri, fasi di miscelazione intensiva, aggiunta di liquido, temperatura, pressione, grado di riempimento e sequenza di scarico. Un cambio di prodotto viene quindi realizzato principalmente richiamando una ricetta rilasciata, non tramite una trasformazione meccanica dell'organo miscelante. Ciò riduce i tempi di allestimento, evita errori di montaggio o di configurazione dell'utensile e facilita una conduzione riproducibile delle charge. Il tempo di pulizia effettivo e il rilascio richiesto tra due prodotti dipendono comunque sempre da ricetta, allergeni, principi attivi, colore, odore, quote di grasso e valutazione del rischio igienico.
Grado di riempimento e spettro di prodotti
L'intervallo di grado di riempimento utilizzabile nei miscelatori amixon® può coprire, a seconda della forma costruttiva e del prodotto, circa il 10-100 per cento del volume utile. Ciò consente allo stesso apparecchio di lavorare dimensioni di lotto diverse. Se con ogni grado di riempimento e ogni ricetta venga raggiunta la miscela casuale tecnicamente ideale deve essere dimostrato in relazione al prodotto. In particolare con gradi di riempimento molto bassi, componenti nanofini o fortemente coesivi, rapporti di dosaggio estremi o ricette con grandi differenze di densità e granulometria, tempo di miscelazione, intensità necessaria e tendenza alla segregazione possono variare.
Ciò vale anche per l'affermazione secondo cui non sarebbe necessaria una nuova convalida. Un cambio dei parametri di processo all'interno di una finestra di processo già definita e convalidata può essere coperto dalla ricetta PLC rilasciata. In presenza di una nuova ricetta, di una qualità delle materie prime notevolmente modificata, di un intervallo di grado di riempimento ampliato o di un diverso obiettivo di omogeneità, è invece necessaria una nuova valutazione basata sul rischio. Questa può essere snella se sono disponibili prodotti comparabili e prove preliminari solide, ma non dovrebbe essere completamente omessa, in particolare nelle applicazioni critiche per la qualità.
Dimensionamento e retrofit
Ogni apparecchio amixon® viene dimensionato sulla base di una User Requirement Specification. In questo caso, geometria dell'utensile, possibile numero e posizione dei rotori di taglio, posizione degli ugelli di liquido, materiali, superfici, guarnizioni, sensoristica, superfici di termoregolazione, concetto di scarico e automazione vengono adattati allo spettro di prodotti previsto. Per i prodotti abrasivi possono essere previsti, ad esempio, utensili induriti, inserti in metallo duro o rivestimenti ceramici. Per prodotti umidi, reattivi o sensibili alla temperatura possono essere integrate funzioni di camicia di termoregolazione, vuoto, pressione o inertizzazione.
Se lo spettro di prodotti si amplia in seguito, sono possibili ammodernamenti specifici del progetto. Tra questi possono rientrare punti di dosaggio aggiuntivi, punti di misura, lance di liquido, attacchi di termoregolazione, sensoristica, rotori di taglio o adattamenti alla periferia di scarico e di pulizia. Tali retrofit, tuttavia, modificano l'impianto e devono quindi essere rivalutati per quanto riguarda meccanica, tenuta, igiene, protezione antideflagrante, controllo e qualità di processo. L'organo miscelante a elica stesso, in molti casi, non deve essere sostituito.
Messa in sicurezza nel centro prove
L'idoneità per un ampio spettro di prodotti viene verificata nel centro prove amixon® con i prodotti originali più critici. Tra questi rientrano, ad esempio, il prodotto più sensibile alla rottura delle particelle, la polvere più coesiva, il materiale più abrasivo, una ricetta con quota di dosaggio molto bassa o una miscela con differenze di densità e dimensione delle particelle particolarmente grandi. Le prove vengono condotte con gradi di riempimento, tempi di miscelazione, numeri di giri, sequenze di aggiunta ed eventuali condizioni di temperatura o pressione realistiche.
Vengono valutati qualità di miscelazione, tempo di miscelazione, disagglomerazione, delicatezza sulle particelle, distribuzione del liquido, apporto di energia, svuotamento residuo, pulibilità e la stabilità della miscela allo scarico, nonché nelle fasi di processo a valle. I risultati documentati costituiscono la base per il dimensionamento del miscelatore di produzione e per la definizione delle ricette PLC. Aiutano a stabilire i parametri di processo in modo che un cambio di prodotto avvenga effettivamente tramite un programma di miscelazione e non tramite un cambio meccanico dell'utensile.
Hygienic design
La conduzione flessibile dell'esercizio è integrata da una costruzione favorevole alla pulizia. Camere di miscelazione saldate senza fughe e levigate, 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 migliorano accessibilità, pulizia e cambio di prodotto. La pulizia a secco e a umido può essere progettata e convalidata in funzione di prodotto, profilo allergenico, quota di grasso e concetto igienico. A seconda del progetto, la costruzione può essere allineata alle linee guida EHEDG, nonché alle linee guida igieniche FDA e agli 3-A Sanitary Standards.