Per i prodotti sfusi eterogenei con densità apparenti, dimensioni delle particelle, forme e proprietà di scorrimento diverse, non è decisivo un singolo utensile di miscelazione, bensì l'interazione coordinata tra principio di miscelazione, geometria dell'utensile, dosaggio, modalità operativa e concetto di scarico. È particolarmente importante che il sistema di miscelazione coinvolga ripetutamente tutte le zone del prodotto in una zona di miscelazione attiva e che la miscela venga poi scaricata, per quanto possibile, senza tratti di caduta, vibrazioni o accumuli sfavorevoli. Le differenze di dimensione delle particelle, forma e densità sono tra le principali cause di segregazione; questa può verificarsi durante la miscelazione, ma soprattutto allo scarico e nei contenitori a valle.

Principi di miscelazione idonei

Per forti differenze di densità apparente e di caratteristiche particellari, i sistemi di miscelazione attivamente convettivi sono spesso più adatti dei puri miscelatori a caduta libera. Tra questi rientrano i miscelatori a paletta, a pala, a vomere, a elica e a più alberi a funzionamento lento o moderato. Generano flussi di prodotto definiti e accorciano il percorso che i singoli componenti devono compiere per una distribuzione spaziale completa. Il concetto più adatto dipende tuttavia in modo sostanziale da coesività, abrasività, sensibilità delle particelle, tempo di miscelazione obiettivo e dimensione della charge.

I miscelatori a vomere possono generare una fluidificazione meccanica intensiva e sono utili quando polveri coesive, agglomerati o componenti minori difficili devono essere distribuiti rapidamente. L'elevata intensità di miscelazione può tuttavia favorire anche rottura delle particelle, abrasione, sviluppo di calore e, in caso di lavorazione troppo prolungata, una nuova segregazione. Sono quindi sensati solo se la ricetta consente questa sollecitazione.

I miscelatori a paletta o a pala a due alberi generano flussi di miscelazione sovrapposti e, con una geometria dell'utensile idonea, possono consentire un tempo di miscelazione breve. Sono adatti per miscele eterogenee quando sono richieste contemporaneamente una buona distribuzione tridimensionale e una sollecitazione delle particelle relativamente contenuta. Per granulati molto sensibili o componenti soggetti a rottura, velocità dell'utensile, angolo delle pale, grado di riempimento e scarico dovrebbero essere verificati con particolare attenzione.

I miscelatori a coclea elicoidale verticali o conici sono vantaggiosi quando è richiesto un rimescolamento del prodotto delicato e convettivo con gradi di riempimento variabili. Possono essere ben adatti per prodotti la cui struttura deve essere il più possibile preservata. Per particelle fini fortemente coesive o agglomerati solidi, tuttavia, il solo movimento a elica potrebbe non essere sufficiente. In tal caso può essere necessario uno stadio di miscelazione intensiva limitato nel tempo o una premiscelazione a monte.

I miscelatori a truogolo con nastro elicoidale sono una soluzione economica per prodotti ben scorrevoli e differenze moderate tra i componenti. In caso di differenze estreme di densità o di granulometria, tuttavia, esiste un rischio maggiore che il rimescolamento del prodotto non coinvolga sufficientemente tutte le zone o che la miscela si separi nuovamente allo scarico. I miscelatori a caduta libera come i miscelatori a doppio cono, a V o a ribaltamento sono particolarmente delicati, ma sono adatti soprattutto per componenti ben scorrevoli, in gran parte privi di agglomerati e sufficientemente simili nelle proprietà particellari. In presenza di differenze marcate di dimensione, forma o densità possono richiedere tempi di miscelazione più lunghi e tendere alla segregazione.

Utensili e opzioni

Palette e pale con inclinazione definita possono combinare flussi di prodotto assiali, radiali e tangenziali. Una disposizione mirata degli utensili aiuta a coinvolgere l'intero volume ed evitare zone di bordo povere di prodotto. Gli utensili a vomere sollevano il prodotto dalla parete del recipiente e generano un campo di flusso intensivo. Gli utensili a elica e a nastro elicoidale convogliano il prodotto in modo controllato lungo la parete e lo conducono nel riflusso centrale. La forma ottimale dell'utensile non è deducibile in modo generico dal rapporto di densità; deve essere adeguata alla struttura delle particelle, alla coesività, all'abrasività e alla sensibilità delle particelle.

I raschiatori vicini alla parete possono essere utili con prodotti adesivi o umidi, per limitare l'accumulo di prodotto sulla parete e sul fondo del recipiente. Con polveri secche e abrasive, tuttavia, devono essere progettati in modo da non generare zone di attrito e abrasione non necessarie. Angoli dell'utensile regolabili o utensili intercambiabili possono aumentare la flessibilità con ricette variabili, ma devono essere realizzati in modo igienico, meccanicamente stabile e posizionabile in modo riproducibile.

Sminuzzatori, chopper o teste a coltelli sono utili quando gli agglomerati coesivi devono essere disgregati in modo mirato. Non dovrebbero essere impiegati in modo permanente come sostituto di una cinematica di miscelazione base idonea. Un inserimento limitato nel tempo, in una fase di processo chiaramente definita, riduce la sollecitazione dell'intera charge. In particolare con particelle sensibili, rivestite o abrasive, si dovrebbe verificare se l'effetto di disagglomerazione ottenuto giustifichi la possibile rottura delle particelle o l'abrasione.

Un dosaggio preciso dei liquidi può aiutare, in ricette idonee, a legare le frazioni fini a particelle portanti più grossolane, riducendo così la percolazione. Lance di dosaggio, ugelli spruzzatori o ugelli bifluido dovrebbero introdurre il liquido in una zona di miscelazione attiva. Quantità, dimensione delle gocce, durata del dosaggio e momento di aggiunta devono essere controllati, in modo da non generare sovrabbagnature locali, nidi appiccicosi o agglomerati indesiderati. Per prodotti sensibili all'umidità o reattivi con l'acqua, questo approccio ovviamente non è idoneo.

La regolazione variabile del numero di giri tramite inverter di frequenza consente una conduzione adeguata al processo. Ad esempio, la charge può essere dapprima omogeneizzata in modo delicato dopo il caricamento, poi lavorata brevemente in modo più intensivo per la disagglomerazione e infine nuovamente miscelata a bassa sollecitazione. Il tempo di miscelazione dovrebbe essere il più breve possibile e lungo solo quanto necessario. Una miscelazione eccessiva può peggiorare nuovamente l'omogeneità nei prodotti soggetti a segregazione.

Dosaggio e scarico

Con grandi differenze di densità o di dimensione delle particelle, la strategia di aggiunta è spesso importante quanto il miscelatore stesso. I componenti minori e le particelle fini non dovrebbero cadere in zone di bordo stagnanti, ma essere dosati in modo controllato in un flusso di prodotto attivo. Le premiscele geometriche possono essere utili quando additivi altamente concentrati, coloranti, principi attivi o componenti molto fini devono essere distribuiti a basso dosaggio. I sistemi di dosaggio gravimetrico supportano pesate riproducibili e aiutano a distinguere gli errori di dosaggio dai reali problemi di miscelazione.

Lo scarico deve essere considerato parte del compito di miscelazione. Un recipiente a flusso di massa assicura che il prodotto si muova su tutta la sezione, mentre nel flusso a nucleo o a pozzo alcune zone restano ferme più a lungo e determinate frazioni possono scaricarsi preferenzialmente. Angoli di parete ripidi, materiali di parete idonei, sezioni di scarico sufficientemente grandi e un organo di scarico adeguato favoriscono il flusso di massa. In questo modo si riducono sia la segregazione sia la formazione di ponti e le zone morte.

I tratti di caduta libera e le forti deviazioni orizzontali dovrebbero essere ridotti al minimo. Favoriscono la segregazione per traiettoria, per rotolamento e per percolazione. Nel trasporto pneumatico, un trasporto a fase densa più lento e delicato può essere vantaggioso, purché tecnicamente idoneo per il prodotto. Anche le vibrazioni su trasportatori, contenitori e stazioni di confezionamento dovrebbero essere esaminate criticamente, perché possono spostare una frazione fine verso il basso e far risalire le particelle grossolane.

Parametri e verifica

Il numero di Froude Fr è un parametro utile soprattutto per i sistemi di miscelazione rotanti. Descrive il rapporto tra forze inerziali e gravitazionali. Con un numero di giri troppo basso il rimescolamento può essere insufficiente; con un numero di giri troppo alto le particelle possono essere spinte contro la parete del recipiente e centrifugare. Un principio generale come «Fr>1 impedisce la segregazione» non è corretto. A Fr≈1 inizia già, in molti sistemi rotanti, la centrifugazione, per cui per la vera e propria miscelazione sono di norma necessari numeri di Froude nettamente inferiori.

Per i processi continui e batch, ulteriori parametri integrano il dimensionamento: grado di riempimento, numero di giri dell'utensile, velocità periferica, apporto di potenza specifico, tempo di miscelazione, distribuzione del tempo di permanenza, precisione di dosaggio e tempo di scarico. Questi valori non sono grandezze obiettivo universali, ma devono essere determinati tramite prove sul prodotto. La qualità di miscelazione dovrebbe essere valutata non solo nel miscelatore, ma tramite campioni scaglionati nel tempo durante lo scarico ed eventualmente dopo il trasporto a valle.