Ampliamento

Definizione

Per “scale-up” si intende il trasferimento di un processo sviluppato su scala di laboratorio o in impianti pilota alla scala industriale, senza compromettere la qualità del prodotto o la riproducibilità. Nel campo della tecnologia di miscelazione, ciò significa che la qualità della miscelazione, la struttura delle particelle, l’umidità residua e il comportamento di svuotamento nel lotto su larga scala devono raggiungere gli stessi valori della prova sperimentale.

Principi di similitudine

Il trasferimento si basa su considerazioni di similitudine. La similitudine geometrica implica che la camera di miscelazione e la geometria dell’utensile di miscelazione aumentino nello stesso rapporto. La similitudine cinematica si riferisce a modelli di flusso comparabili, mentre la similitudine dinamica riguarda un rapporto costante tra le forze in azione.

Nei sistemi di miscelazione con utensile di miscelazione disposto orizzontalmente, così come nei miscelatori a caduta libera, a tamburo e centrifughi, il numero di Froude – ovvero il rapporto tra forze d’inerzia e forza di gravità – viene spesso mantenuto costante. In concreto, ciò significa che all’aumentare del raggio dell’utensile di miscelazione la velocità di rotazione diminuisce, mentre la velocità periferica rimane in un intervallo comparabile.

Nei miscelatori forzati verticali, il numero di Froude non è un criterio per la progettazione o il ridimensionamento. In questo caso è fondamentale che il principio di miscelazione rimanga lo stesso indipendentemente dalle dimensioni dell’apparecchiatura e che la miscelazione copra l’intera camera di miscelazione a prescindere dal grado di riempimento; la trasferibilità viene verificata nel centro di prova tecnico con il prodotto originale.

Cosa non è possibile scalare

Non tutti gli effetti possono essere espressi tramite un indice caratteristico. La frantumazione delle particelle, l’abrasione, la formazione di polvere, la segregazione durante lo svuotamento, la perdita delle proprietà momentanee e la dissipazione di calore attraverso la parete del recipiente si comportano in modo diverso su larga scala, poiché il rapporto tra superficie e volume diminuisce e i tempi di permanenza aumentano. Questi effetti si manifestano solo su una scala sperimentale in cui la dimensione del lotto si avvicina a quella del futuro lotto di produzione.

Procedura

Un ridimensionamento affidabile inizia con una prova di miscelazione sul prodotto di partenza. Nell’ambito di uno studio parametrico vengono variati sistematicamente il tempo di miscelazione, la velocità di rotazione, il grado di riempimento, il punto di aggiunta e l’ordine di aggiunta dei componenti, nonché il tipo e la quantità degli additivi liquidi. La qualità della miscelazione viene valutata in base al coefficiente di variazione, al grado di svuotamento, all’integrità delle particelle, all’apporto energetico e alla temperatura del prodotto.

I valori convalidati vengono documentati e integrati nel sistema di controllo dell’impianto sotto forma di scheda di ricetta. Solo grazie a questa documentazione il rischio associato allo scale-up diventa quantificabile e la decisione di investimento risulta giustificata.

Delimitazione

Lo “scale-up” non è sinonimo di aumento della capacità. Se ci si limita ad acquistare un secondo impianto delle stesse dimensioni, i parametri di processo rimangono invariati. Si parla di “scale-up” quando la dimensione del lotto aumenta e quindi è necessario adeguare le modalità operative.