Mieszalniki proszków mogą, zależnie od typu i wykonania, być stosowane nie tylko do samej homogenizacji, lecz również jako reaktory mieszające lub suszarko-mieszalniki. Łączyć można w szczególności ogrzewanie, chłodzenie, próżnię i inertyzację. Czy wszystkie funkcje można sensownie połączyć w jednym aparacie, zależy jednak od produktu, reakcji, lepkości, przenoszenia ciepła, stopnia ciśnienia, zachowania fazy stałej, wymagań dotyczących czyszczenia i koncepcji bezpieczeństwa.

Zintegrowana koncepcja może zmniejszać liczbę transferów produktu i otwartych styków procesowych. Dzięki temu, przy odpowiednim zastosowaniu, można zmniejszyć straty, zanieczyszczenia krzyżowe, emisję pyłu i nakład na czyszczenie. Integracja procesu nie jest jednak automatycznie korzystna: przy bardzo różnych poziomach temperatury, wysokich wydajnościach, trudnych do czyszczenia recepturach lub złożonych sekwencjach reakcji oddzielne aparaty mogą być łatwiejsze do opanowania i bardziej ekonomiczne.

Ogrzewanie i chłodzenie

Ogrzewanie realizuje się zwykle za pomocą płaszcza podwójnego, półrurowych wężownic lub innych powierzchni zbiornika, które można termostatować. Jako nośnik ciepła stosuje się na przykład wodę, parę lub olej termalny. W określonych aparatach dodatkowo można termostatować wał mieszający, ramiona mieszające lub narzędzia mieszające. Zwiększa to dostępną powierzchnię wymiany ciepła i może być pomocne szczególnie przy produktach suszonych kontaktowo, pastowatych lub słabo przewodzących ciepło.

Typowymi zadaniami są topienie lub upłynnianie spoiw, kontrolowane prowadzenie reakcji zależnych od temperatury, wygrzewanie, suszenie kontaktowe i próżniowe oraz określone procesy granulacji stopowej lub powlekania. Osiągalna szybkość ogrzewania i temperatura produktu zależą nie tylko od medium grzewczego, lecz także od powierzchni wymiany ciepła, ruchu mieszającego, stopnia napełnienia, wilgotności produktu, przewodności cieplnej i dopuszczalnej temperatury produktu.

Chłodzenie wykorzystuje często te same powierzchnie wymiany ciepła, z użyciem wody chłodzącej, solanki lub innego odpowiedniego nośnika ciepła. Może ono odprowadzać ciepło reakcji, obniżać temperaturę produktu po fazie gorącej lub kondycjonować produkt przed wyładunkiem i napełnianiem. Przy reakcjach egzotermicznych wydajność chłodzenia jest elementem doboru istotnego dla bezpieczeństwa. Musi być ona tak dobrana, aby uwzględnić także niekorzystne stany procesu, na przykład wyższą temperaturę wyjściową, wsady wadliwe, odbiegające dozowanie lub obniżone przenoszenie ciepła.

Próżnia i inertyzacja

Procesy próżniowe wymagają odpowiednio wytrzymałego na próżnię i wystarczająco szczelnego aparatu, odpowiednich uszczelnień, gazoszczelnej drogi produktu, filtracji dopasowanej do produktu oraz systemu próżniowego i kondensacyjnego. Próżnia może obniżać temperaturę wrzenia lotnych składników i dzięki temu umożliwiać suszenie kontaktowo-próżniowe przy niższych temperaturach produktu. Dalszymi możliwymi zastosowaniami są odgazowywanie, usuwanie pozostałości rozpuszczalnika, impregnacja i powlekanie.

Ruch mieszający odnawia warstwę produktu na termostatowanych powierzchniach i może dzięki temu poprawiać przenoszenie ciepła i masy. Nie zastępuje on jednak wymaganego czasu suszenia ani wystarczającej powierzchni wymiany ciepła. Przy bardzo drobnych proszkach, lepkich pastach lub zmieniającej się reologii filtr, wyładunek, zatrzymywanie pyłu i kondensacja muszą być dobrane szczególnie starannie.

Inertyzacja może chronić produkt i proces przed tlenem lub wilgocią i przy odpowiednim doborze służyć jako zapobiegawczy środek ochrony przeciwwybuchowej. Zwykle stosuje się azot, w określonych zastosowaniach argon lub dwutlenek węgla. Odpowiedni gaz dobiera się na podstawie chemii produktu, temperatury, reaktywności, korozji, wymagań co do czystości i ochrony pracy.

Przy procesach wsadowych atmosferę gazu obojętnego można ustawić przez wielokrotne odpompowywanie i następujące po nim napełnianie gazem obojętnym. Dla koncepcji ochrony przeciwwybuchowej stężenie tlenu musi znajdować się poniżej granicznego stężenia tlenu wyznaczonego dla konkretnego układu produkt–gaz obojętny. Wymagana jest wystarczająco szczelna instalacja, zdefiniowana sekwencja przepłukiwania, odpowiedni pomiar tlenu, wartości alarmowe i wyłączające oraz blokady bezpieczeństwa. Inertyzacja nie chroni automatycznie przed samozapłonem, rozkładem termicznym ani reakcjami egzotermicznymi.

Typowe kombinacje

Połączenie ogrzewania i próżni jest często stosowane do suszenia kontaktowo-próżniowego. Próżnia obniża temperaturę parowania, podczas gdy termostatowana ściana zbiornika oraz ewentualnie termostatowane narzędzia mieszające dostarczają wymaganego ciepła. Ruch mieszający zapobiega lokalnym nagromadzeniom produktu i wspiera równomierne traktowanie. Czy rzeczywiście osiąga się łagodne suszenie, zależy od temperatury produktu, poziomu ciśnienia, intensywności mieszania, kondensacji, wilgotności resztkowej i stabilności termicznej produktu.

Ogrzewanie i inertyzację można łączyć, gdy produkt ma być przetwarzany z wykluczeniem tlenu albo gdy reakcja prowadzona pod kontrolą temperatury ma przebiegać w atmosferze obojętnej. Może to być sensowne przy substancjach wrażliwych na utlenianie, reaktywnych produktach pośrednich lub określonych proszkach metali. Przydatność gazu obojętnego musi zostać wykazana dla konkretnego układu substancji; azot nie nadaje się do każdej substancji reaktywnej ani do każdego proszku metalu.

Próżnię i inertyzację łączy się często jako metodę wielokrotnej zmiany ciśnienia. Odpompowywanie usuwa część istniejącej atmosfery, a następujące po nim napełnianie zastępuje ją gazem obojętnym. Kilka cykli dodatkowo zmniejsza tlen resztkowy. Metoda ta może służyć zarówno ochronie produktu, jak i ochronie przeciwwybuchowej, o ile granica tlenu, pomiar i logika bezpieczeństwa są niezawodnie dobrane.

Połączenie ogrzewania, chłodzenia, próżni i inertyzacji może umożliwiać procesy typu one-pot. Przykładami są mieszanie substancji wyjściowych, reakcja prowadzona pod kontrolą temperatury w atmosferze gazu ochronnego, następujące po niej suszenie próżniowe oraz kontrolowane chłodzenie przed wyładunkiem. Takie procesy wymagają skoordynowanego sterowania procesem dla temperatury, ciśnienia, strumienia ciepła, próżni, kondensacji, atmosfery gazowej, intensywności mieszania i urządzeń bezpieczeństwa.

Wymagania konstrukcyjne

Wielofunkcyjny mieszalnik proszków wymaga odpowiedniego doboru ciśnieniowego i próżniowego, materiałów odpornych na temperaturę i kompatybilnych z mediami, wystarczająco wymiarowanych powierzchni wymiany ciepła, odpowiednich uszczelnień wału i pokrywy, filtra do odprowadzania gazu i pary oraz rozwiązania wyładunkowego dopasowanego do produktu. Dla procesów zawierających rozpuszczalniki lub zagrożonych wybuchem pyłu dochodzą dodatkowe wymagania dotyczące szczelności, inertyzacji, ochrony przeciwwybuchowej, kondensacji i bezpiecznego opróżniania.

Technika sterowania procesem musi rejestrować temperaturę, ciśnienie, poziom napełnienia, obroty mieszalnika, medium grzewcze i chłodzące, próżnię, strumień gazu obojętnego oraz w razie potrzeby zawartość tlenu, i regulować je w zdefiniowanych granicach. Dla krytycznych funkcji bezpieczeństwa należy ustalić granice alarmowe, blokady oraz stan bezpieczny na wypadek awarii zasilania, próżni, chłodzenia lub gazu obojętnego.

Sterylizacja nie jest automatycznie zapewniona przez sam fakt posiadania ogrzewanego suszarko-mieszalnika. Jeżeli instalacja ma być stosowana jako aparat sterylizujący, należy zwalidować profile czasowo-temperaturowe, załadunek, rozkład ciepła, przenoszenie ciepła, czyszczenie, mikrobiologiczne kryteria akceptacji oraz w razie potrzeby wskaźniki biologiczne. FDA wyraźnie wskazuje, że proszki ze względu na swoje właściwości izolacyjne wymagają przy sterylizacji suchym gorącym powietrzem szczególnych badań rozkładu i penetracji temperatury.