理想的な構成は、次の原則に従います。すなわち、できるだけ少ない製品の受け渡し、できるだけ短い自由落下区間、そして原料から包装に至るまでの制御された質量流量です。追加の搬送段階、サイロ、シュート、自由落下は、いずれも偏析、摩耗、粉じんの発生、クロスコンタミネーションを助長することがあります。粒径、かさ密度、形状、流動挙動に大きな違いがある混合物では、これが特に重要です。

以下の構成は、バッチ式および連続式の粉体プロセスに対する実務上有効な参照構成を示しています。実際の設計は、製品、衛生要求、処理量、レシピ、防爆に合わせて調整する必要があります。

理想的なプロセス構成

原料供給 → 篩分け → バッファリングと計量供給 → 定められた製品投入 → ミキサー → 穏やかな排出 → 短く密閉された受け渡し → 充填または後続プロセス

最初の段階は、適切な容器、小型容器、ビッグバッグ、袋、あるいはサイロでの原料受け入れと保管です。原料供給は、後の計量精度をすでに支えるものであるべきです。これには、安定したかさ密度、限られた水分、できるだけ均一な粒度、そして容器からの製品に適した排出が含まれます。凝集性やブリッジ形成性のある粉体には、撹拌機、フレキシブルな壁面、振動補助、あるいは特別に設計された排出機構といった適切な排出補助が必要です。これらの補助手段は、粒子を破壊したり、混合物を早期に偏析させたりすることなく、計量を安定させるように調整しなければなりません。

計量の前には、点検用の篩を設けることが有効な場合がよくあります。これにより、異物、包装の残骸、硬い塊、あるいは望ましくない過大粒を取り除きます。篩は、プロセスのできるだけ早い段階、精密な計量の前に配置すべきです。繊細な顆粒やシリアルでは、篩機自体が摩耗や粒の破損を招かないよう、特に穏やかに設計する必要があります。原料や搬送技術に起因する金属異物が予想される場合には、磁選機や金属検出器を補完的に用いることができます。

篩分け後、各原料は、小さく製品に合わせて設計された中間容器、あるいは直接計量ステーションへと送られます。篩分け後に大きな中間サイロで長時間保管することは、できるだけ避けるべきです。充填、振動、排出の際に、そこで材料が再び偏析することがあるためです。中間バッファリングが避けられない場合には、容器はマスフロー、すなわち製品断面全体ができるだけ均一に動く形式で設計すべきです。マスフローは排出時の偏析を抑えることができますが、混合物がすでに充填時に側方あるいは粒度によって分離していた場合には、完全に均一な排出を保証するものではありません。

レシピの精度と再現性が重要な場合、計量は重量式で行います。バッチプロセスには、計量容器、あるいはロードセル上に設置されたミキサーでの重量式秤量が適しています。その際、主成分はしばしば粗計量段階に続く精計量段階で投入されます。精計量は、行き過ぎを減らし、秤量精度を高めます。各成分の投入後には、秤量信号を落ち着かせるための十分な時間を見込む必要があります。フレキシブル接続、防振構造、防じん脱気は、外力や圧力変動が秤量信号を狂わせることを防ぎます。

連続プロセスには、ロスインウェイト計量機（LIW計量機）が特に適しています。計量容器と排出機構はロードセル上に設置されており、制御装置は単位時間あたりの測定重量減少から排出回転数を調整します。これにより、計量スクリューの回転数だけでなく、実際の質量流量が制御されます。LIW計量機は、かさ密度、充填レベル、流動挙動が変動しうる場合に特に有効です。ただし、その補充方式は重要です。補充中は、重量式の計測運転が通常一時的に中断され、モデルに基づく体積式計量で橋渡しされます。したがって、補充動作、容器サイズ、補充速度、そしてその後の安定化は、必要な質量流量と許容される計量偏差に合わせなければなりません。

香料、有効成分、ビタミン、着色料、微量元素といった微量成分では、計量の課題が特に高度になります。これらは、投入後に続く搬送区間ができるだけ短くなるよう、できるだけミキサーの近くで計量すべきです。非常に少量の場合には、適切な担体材料によるプレミックスが必要になることがあります。担体成分は、投入時とミキサー内でプレミックスが再び偏析しないよう、できるだけ主成分と類似した粒子特性を持つべきです。

計量された成分をミキサーの前で合流させる工程は、穏やかで制御されたものでなければなりません。共通の集合ホッパーが、高く制御されない製品落下や事前の偏析を招いてはなりません。短く、できるだけ垂直で、断面の大きい防じん式の受け渡しが望ましいです。長い斜めのシュート、衝突板、高い自由落下区間、高速で動く搬送スクリューは、避けるか、製品試験の後にのみ使用すべきです。これらは、摩耗を生じさせたり、大小の粒子を分離させたり、製品の流れを脈動させたりすることがあります。

ミキサーは、混合物と混合課題に適合していなければなりません。過度なせん断、粒子の破損、局所的な過剰混合を生じることなく、バッチ全体の容積を確実に捉える必要があります。重要なのは、充填率に関する定められた作業範囲、適切な工具形状、再現性のある回転数、そして十分な均一性が得られる最も早い時点に制限された混合時間です。液体を添加する場合には、噴霧ノズルを十分に運動している製品ゾーンに配置する必要があります。液滴径、噴霧速度、粘度、混合強度は、局所的な過湿潤、塊の形成、固着が生じないように調整しなければなりません。

混合後の製品排出は、偏析にとってしばしば最も重要な段階です。理想的には、混合物は中間保管を経ずに、ミキサーから直接後続プロセスまたは充填工程へと渡されます。排出口は、脈動の少ない均一な質量流量を可能にするのに十分な大きさであるべきです。排出容器またはミキサー内での制御されたマスフローは、最初に特定の画分だけが排出されるリスクを減らします。大きな堆積円錐、長い落下区間、急傾斜のシュート、搬送振動、空気搬送は、良好な混合をふたたび悪化させることがあります。したがって、受け渡しのシャフトは、短く、垂直で、壁面が滑らかで、断面の急激な変化ができるだけないように設計すべきです。

ミキサーの後に中間容器が避けられない場合には、できるだけ小さくし、短時間のバッファとしてのみ機能させるべきです。その設計は、均一な排出を可能にするものでなければなりません。ファンネルフロー、すなわち周辺部が停滞したままの芯流は、偏析を強め、古い製品残渣を留めることがあります。マスフローのほうがおおむね良い出発点ですが、実際の混合物による試験で確認しなければなりません。最後の製品部分で画分が分離して排出される場合には、完全な排出も問題となりえます。したがって、容器・充填工程は、排出過程全体にわたる均一性について検証すべきです。

制御と品質

制御システムは、秤量したすべての量、計量時間、目標・実績の質量流量、混合時間、回転数、液体量、そして必要に応じて温度を記録すべきです。連続式設備では、すべての計量流量を主成分に対して比率制御することが中心となります。バッチプロセスでは、レシピ管理、妥当性検証、秤量後の承認、そして漏れのないバッチ文書化が有効です。

品質保証は、ミキサー内のサンプルだけを検査するものではありません。排出の初め、中間、終わりにおける均一性も評価しなければなりません。関連する指標は、指標成分の変動係数、粒度分布、かさ密度、水分、粉じんの割合、破損の割合、そして必要に応じて液体添加の均一性です。これらの値が、計量、混合、排出、充填を通じて安定して保たれて初めて、そのプロセスは本当に偏析の少ないものと言えます。