Jakie korzyści oferują dostosowywalne narzędzia mieszające dla zmieniających się produktów w mieszalniku przemysłowym?
Dostosowywalne narzędzia mieszające zwiększają elastyczność mieszalnika przemysłowego, gdy zmieniają się produkty, receptury lub wielkości wsadów. Umożliwiają one celowe dostosowanie intensywności mieszania, przemieszczania produktu, deaglomeracji, wprowadzania cieczy oraz ochrony przed zużyciem do właściwości danego materiału mieszanego, bez konieczności instalowania dla każdego zadania całkowicie nowej instalacji.
Elastyczność procesu
Przy zmieniających się produktach wymagania często różnią się znacząco. Dobrze płynące proszki wymagają przede wszystkim równomiernego, konwekcyjnego przemieszczania. Kohezyjne proszki mogą wymagać dodatkowej deaglomeracji. Wrażliwe granulaty, włókna, powlekane cząstki lub kryształy powinny natomiast być poddawane możliwie niskiemu obciążeniu ścinającemu, uderzeniowemu i zgniatającemu. Dostosowywalne elementy narzędziowe, na przykład łopatki, czerpaki, wężownice, noże, zgarniacze lub narzędzia do mieszania intensywnego, pozwalają dopasować przemieszczanie produktu do tych różnic.
Dostosowywalność można przy tym realizować na różne sposoby. W niektórych mieszalnikach narzędzia są rzeczywiście wymieniane, na przykład gdy z łagodnej geometrii łopatkowej przechodzi się na narzędzie działające bardziej intensywnie. W innych przypadkach narzędzie podstawowe pozostaje w aparacie, a intensywność procesu jest dostosowywana poprzez prędkość obrotową, kierunek obrotów, czasowo ograniczone dołączanie chopperów, strategię dozowania lub stopień napełnienia. W praktyce drugie rozwiązanie jest często szybsze, ponieważ nie wymaga przebudowy mechanicznej ani ponownego czyszczenia po wymianie narzędzia.
Większa elastyczność nie oznacza jednak automatycznie, że każdą recepturę można prowadzić na tej samej instalacji bez nowego sprawdzenia. Jeśli struktura cząstek, kohezyjność, wilgotność, udziały dozowania, receptura, stopień napełnienia, materiały mające kontakt z produktem lub wymagany poziom higieny zmieniają się istotnie, czas mieszania, prędkość obrotowa, jednorodność, opróżnianie i czyszczenie muszą zostać sprawdzone dla nowego zadania.
Jakość mieszania i ochrona produktu
Geometria narzędzia decyduje o tym, które procesy mieszania dominują w zbiorniku. Wielkopowierzchniowe łopatki, wężownice lub taśmy śrubowe wspierają przede wszystkim konwekcyjne strumienie produktu i mogą stosunkowo delikatnie przemieszczać całą objętość wsadu. Noże intensywne, choppery lub systemy rotor-stator wytwarzają lokalnie wyższe siły ścinające i nadają się do rozbijania aglomeratów lub drobniejszego rozprowadzania dodawanej cieczy. Zgarniacze mogą przy klejących lub wilgotnych produktach ograniczać narastanie na ścianie i pomagają objąć wszystkie strefy produktu procesem mieszania.
Możliwość doboru lub łączenia tych funkcji odpowiednio do potrzeb pomaga rozwiązać konflikt celów między szybką homogenizacją a ochroną produktu. Wrażliwy granulat może być na przykład najpierw homogenizowany przy niskiej prędkości obrotowej. Jeśli poszczególne aglomeraty muszą zostać rozbite, narzędzie intensywne może być uruchamiane tylko przez krótką, zdefiniowaną fazę. Następnie wsad jest ponownie domieszywany przy niskim obciążeniu mechanicznym. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko łamania cząstek, tworzenia się frakcji drobnej, ścierania, niepożądanego nagrzewania oraz zmian rozkładu wielkości cząstek.
Dobrana odpowiednio do produktu konfiguracja narzędzia może skrócić czas mieszania, ponieważ wymagane przemieszczanie produktu jest wytwarzane celowo. Nie oznacza to jednak, że bardziej intensywne narzędzie zawsze jest lepsze. Zbyt wysoka prędkość obrotowa, zbyt długi czas mieszania lub niepotrzebnie wysokie ścinanie mogą ponownie rozdzielić mieszaninę, uszkodzić wrażliwe cząstki lub zwiększyć wymagania dotyczące czyszczenia. Optymalnym celem jest zatem najmniejsze solidne okno procesowe, w którym wymagana jednorodność jest osiągana w sposób niezawodny.
Czyszczenie i zużycie
Dostosowywalne narzędzia mogą poprawiać czyszczenie i zmianę produktu, jeśli są wykonane z gładkimi, dobrze dostępnymi powierzchniami, zdefiniowanymi odstępami między narzędziem a ścianą oraz możliwie najmniejszą liczbą stref zatrzymywania produktu. Odpowiednie geometrie zgarniające i kierujące mogą ograniczać narastanie na ścianie i osadzanie się na dnie. Zmniejsza to pozostałości produktu, nakład na czyszczenie oraz ryzyko zanieczyszczeń krzyżowych. Przy produktach krytycznych pod względem alergenów, farmaceutycznych lub wysokoczystych wszystkie obszary mające kontakt z produktem – łącznie z wałami, uszczelnieniami, armaturami wylotowymi, pokrywami, filtrami i miejscami dozowania – muszą mimo to zostać uwzględnione w walidacji czyszczenia.
Przy ściernych materiałach mieszanych modułowe lub wymienne elementy zużywające się mogą być ekonomicznie sensowne. Zamiast wymieniać cały rotor, można celowo zastąpić szczególnie obciążone łopatki, czerpaki, zgarniacze lub segmenty ochronne. Dzięki doborowi materiału odpowiedniemu do zastosowania hartowane stale, węglik spiekany, odpowiednie tworzywa sztuczne lub powłoki ceramiczne mogą być stosowane tylko tam, gdzie są technicznie wymagane. Szybko wymienialne i dwustronnie użyteczne narzędzia mogą zmniejszać czasy przestoju oraz koszty części zamiennych i utrzymania. Przykład modułowej koncepcji narzędziowej wymienia szybką wymianę wszystkich zużywających się części mających kontakt z produktem oraz niższe koszty zużycia dzięki dwustronnie stosowalnym łopatkom mieszającym.
Dalsze funkcje procesowe
Dostosowanie narzędzia można łączyć z dalszymi opcjami wyposażenia. Lance cieczowe, dysze rozpylające lub dysze dwuczynnikowe umożliwiają celowe wprowadzanie spoiw, olejów, roztworów lub zawiesin. Ruch narzędzia rozprowadza te ciecze w objętości produktu; przy odpowiednim doborze parametrów frakcje drobne mogą zostać związane z grubszymi cząstkami nośnymi, pył zredukowany, a efekty granulacji i powlekania wytworzone.
Płaszcze grzewczo-chłodzące lub temperowane narzędzia mogą być istotne, gdy produkt ma być ogrzewany, chłodzony, suszony, kondycjonowany lub mieszany w określonej temperaturze. Wyposażenie próżniowe lub inertyzujące może być wymagane dla produktów zawierających rozpuszczalniki, wrażliwych na utlenianie lub wilgoć oraz wybuchowych pyłowo. Czujniki inline, takie jak NIR, Raman, pomiar momentu obrotowego, temperatury, wilgotności lub ciśnienia, mogą uzupełniać sterowanie, o ile miejsce pomiaru i model oceny są zwalidowane dla krytycznej receptury.
Scale-up i walidacja
Dostosowywalne narzędzia mieszające mogą ułatwiać przejście ze skali laboratoryjnej do produkcyjnej, nie zastępują jednak systematycznego rozwoju scale-up. W scale-up geometria zbiornika, średnica narzędzia, odstępy od ściany, stopień napełnienia, prędkość obrotowa, prędkość obwodowa, gęstość mocy i czas mieszania muszą być rozpatrywane łącznie. Podobieństwo geometryczne oraz wielkości charakterystyczne, takie jak prędkość obwodowa lub jednostkowe wprowadzanie mocy, mogą dostarczyć ważnej orientacji. Jednak sama niezmienna prędkość obwodowa lub gęstość mocy nie gwarantuje, że przepływ produktu, jednorodność i ochrona produktu zostaną przeniesione identycznie. Decydujące pozostają geometria narzędzia i rzeczywiste właściwości produktu.
Próby mieszania z oryginalnym produktem są zatem najpewniejszą podstawą do ustalenia odpowiedniego wyposażenia narzędziowego i okna procesowego. Powinny być przy tym badane nie tylko jakość mieszania i czas mieszania, lecz również łamanie cząstek, udział frakcji drobnej, rozwój temperatury, rozprowadzenie cieczy, ścieranie, opróżnianie resztkowe, czyszczalność oraz stabilność mieszaniny po wyładunku i transporcie. Przy asortymentach produktów o dużej rozpiętości powinien być za każdym razem badany najbardziej krytyczny produkt: na przykład receptura najbardziej kohezyjna, najbardziej ścierna, najbardziej wrażliwa lub o najniższym udziale dozowania.
Dostosowywalne narzędzia mieszające i wyposażenie: systematyka amixon® dla zmieniających się produktów
Jedna zasada narzędziowa, wiele stanów pracy
Mieszalniki amixon® z reguły nie wymagają mechanicznych zestawów przezbrojeniowych ani wymiany narzędzi mieszających dla zmieniających się produktów. Narzędzie mieszające taśmowo-śrubowe SinConvex® pozostaje w mieszalniku, nawet gdy charakterystyka materiału sypkiego wyraźnie się zmienia – od grubych, wrażliwych cząstek po drobne lub nanostrukturalne proszki, od dobrze płynących materiałów sypkich po układy kohezyjne, wilgotne lub zawiesinowe. O jakości mieszania decyduje nie wymiana narzędzia, lecz sposób pracy indywidualnie dostosowany do zadania mieszania.
Geometria SinConvex® wytwarza trójwymiarowe wymuszone przemieszczanie. Produkt jest transportowany w obszarze przyściennym ku górze, w centrum spływa grawitacyjnie ponownie w dół i jest ciągle na nowo kierowany do aktywnej strefy mieszania. To kontrolowane przemieszczanie produktu może być wykorzystywane dla suchych, wilgotnych i zawiesinowych układów stałych. Także przy mocno różniących się gęstościach nasypowych i wielkościach cząstek parametry pracy można ustawić tak, aby osiągnąć wymaganą jednorodność. Dla mieszanin o dużych różnicach między składnikami należy jednak zawsze sprawdzić, czy mieszanina pozostaje stabilna również przy wyładunku, transporcie i napełnianiu.
Dostosowanie odbywa się poprzez sposób pracy. Należą do niego czas mieszania, prędkość obrotowa narzędzia lub prędkość obwodowa, stopień napełnienia, kolejność dodawania surowców, miejsca dozowania, czasy dozowania, w razie potrzeby kierunek obrotów, dodawanie cieczy, temperatura i ciśnienie. Prędkość obwodowa narzędzia może być, w zależności od formy konstrukcyjnej i zadania mieszania, ustawiana w zakresie od około 0,8 do 3,5 m/s. Dla produktów wrażliwych wybierany jest szczególnie łagodny, niskoobrotowy sposób pracy. Przy kohezyjnych proszkach, aglomeratach lub trudno dyspergowalnych mikroskładnikach intensywność może zostać celowo zwiększona. Gdy wymagana jest lokalna deaglomeracja, rotory tnące lub HighShearBlades mogą być dołączane przez ograniczony czas. Podstawowe narzędzia mieszające pozostają przy tym niezmienione; dostosowywany jest jedynie stan procesu.
Także dodawanie cieczy można zintegrować z prowadzeniem produktu bez wymiany narzędzia. Lance, dysze rozpylające lub dysze dwuczynnikowe wprowadzają spoiwa, oleje, roztwory lub zawiesiny do aktywnej strefy mieszania. Umożliwia to na przykład nawilżanie kohezyjnych proszków, równomierne rozprowadzenie dodatków, wiązanie drobnych cząstek z grubszymi nośnikami lub powlekanie cząstek stałych. Ilość, wielkość kropli, moment dozowania i czas domieszania są dostosowywane jako część sposobu pracy do danej receptury. Przy procesach wrażliwych na temperaturę lub prowadzonych termicznie płaszcz podwójny uzupełnia opcje procesowe o ogrzewanie lub chłodzenie.
Każda receptura otrzymuje własny program mieszania w sterowniku PLC. Program ten może zawierać wartości zadane i tolerancje dla czasu mieszania, prędkości obrotowej, faz mieszania intensywnego, dodawania cieczy, temperatury, ciśnienia, stopnia napełnienia i przebiegu wyładunku. Zmiana produktu jest zatem realizowana przede wszystkim poprzez wywołanie zatwierdzonej receptury, a nie poprzez mechaniczną przebudowę narzędzia mieszającego. Zmniejsza to czasy przezbrojenia, zapobiega błędom przy montażu lub konfiguracji narzędzia i ułatwia powtarzalne prowadzenie wsadów. Rzeczywisty czas czyszczenia oraz wymagane zwolnienie między dwoma produktami nadal zależą od receptury, alergenów, substancji czynnych, barwy, zapachu, udziału tłuszczu i higienicznej oceny ryzyka.
Stopień napełnienia i spektrum produktów
Użytkowy zakres stopnia napełnienia w mieszalnikach amixon® może, w zależności od formy konstrukcyjnej i produktu, obejmować około 10 do 100 procent objętości użytkowej. Dzięki temu ten sam aparat może przetwarzać różne wielkości partii. Czy przy każdym stopniu napełnienia i z każdą recepturą osiągana jest technicznie idealna mieszanina losowa, musi zostać wykazane odniesione do produktu. Zwłaszcza przy bardzo niskich stopniach napełnienia, składnikach nanodrobnych lub silnie kohezyjnych, ekstremalnych proporcjach dozowania lub recepturach o dużych różnicach gęstości i wielkości ziaren, czas mieszania, wymagana intensywność i skłonność do rozdzielania się mogą się zmieniać.
Dotyczy to również stwierdzenia, że nie jest wymagana ponowna walidacja. Zmiana parametrów procesowych w obrębie już ustalonego i zwalidowanego okna procesowego może być objęta zatwierdzoną recepturą w sterowniku PLC. Przy nowej recepturze, wyraźnie zmienionej jakości surowca, rozszerzonym zakresie stopnia napełnienia lub innym celu jednorodności wymagana jest natomiast ponowna, oparta na ryzyku ocena. Może ona być ograniczona, jeśli dostępne są porównywalne produkty i wiarygodne próby wstępne, ale zwłaszcza przy zastosowaniach krytycznych dla jakości nie powinna być całkowicie pomijana.
Projektowanie i doposażanie
Każdy aparat amixon® jest projektowany na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification). Geometria narzędzia, możliwa liczba i pozycja rotorów tnących, położenie dysz cieczowych, materiały, powierzchnie, uszczelnienia, czujniki, powierzchnie temperujące, koncepcja wyładunku i automatyzacja są przy tym dostosowywane do przewidzianego spektrum produktów. Dla produktów ściernych mogą być przewidziane na przykład hartowane narzędzia, okładziny z węglika spiekanego lub powłoki ceramiczne. Dla produktów wilgotnych, reaktywnych lub wrażliwych na temperaturę mogą być zintegrowane płaszcze grzewczo-chłodzące oraz funkcje próżni, ciśnienia lub inertyzacji.
Gdy spektrum produktów później się rozszerza, możliwe są modernizacje dostosowane do konkretnego projektu. Mogą one obejmować dodatkowe punkty dozowania, punkty pomiarowe, lance cieczowe, przyłącza temperujące, czujniki, rotory tnące lub dostosowania peryferii wyładunkowej i czyszczącej. Takie doposażenia zmieniają jednak instalację i dlatego muszą zostać na nowo ocenione pod względem mechaniki, szczelności, higieny, ochrony przeciwwybuchowej, sterowania i jakości procesu. Sama wężownica mieszająca w wielu przypadkach nie musi być przy tym wymieniana.
Zabezpieczenie w centrum prób
Przydatność dla szerokiego spektrum produktów jest sprawdzana w centrum prób amixon® z najbardziej krytycznymi oryginalnymi produktami. Należą do nich na przykład produkt najbardziej wrażliwy pod względem łamania cząstek, najbardziej kohezyjny proszek, najbardziej ścierny materiał, receptura o bardzo niskim udziale dozowania lub mieszanina o szczególnie dużych różnicach gęstości i wielkości cząstek. Próby są przeprowadzane przy realistycznych stopniach napełnienia, czasach mieszania, prędkościach obrotowych, kolejnościach dodawania oraz w razie potrzeby warunkach temperatury lub ciśnienia.
Oceniane są jakość mieszania, czas mieszania, deaglomeracja, ochrona cząstek, rozprowadzenie cieczy, wprowadzanie energii, opróżnianie resztkowe, czyszczalność oraz stabilność mieszaniny przy wyładunku i w kolejnych etapach procesu. Udokumentowane wyniki stanowią podstawę do projektowania mieszalnika produkcyjnego oraz definiowania receptur w sterowniku PLC. Pomagają one tak ustalić parametry procesowe, aby zmiana produktu rzeczywiście odbywała się poprzez program mieszania, a nie poprzez mechaniczną wymianę narzędzia.
Hygienic Design
Elastyczny sposób pracy jest uzupełniany przez konstrukcję sprzyjającą czyszczeniu. Bezszczelinowo spawane i szlifowane komory mieszania, mieszadła łożyskowane wyłącznie od góry bez dolnego przepustu wału w obszarze produktu, duże drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal®, elementy wylotowe o niskiej liczbie stref martwych oraz zintegrowane lance myjące poprawiają dostępność, czyszczenie i zmianę produktu. Czyszczenie na sucho i na mokro może być projektowane i walidowane w zależności od produktu, profilu alergenowego, udziału tłuszczu i koncepcji higieny. W zależności od projektu konstrukcja może być dostosowana do wytycznych EHEDG oraz wytycznych higienicznych FDA i norm 3-A Sanitary Standards.