Jakie kryteria przemawiają za zastosowaniem mieszalnika-suszarki stożkowej lub reaktora stożkowego, gdy proszek ma być jednocześnie mieszany i suszony?
Stożkowy suszarko-mieszalnik lub reaktor stożkowy jest szczególnie sensowny, gdy proszkowy, wilgotny lub zwilżony rozpuszczalnikiem produkt ma być homogenizowany, temperowany i suszony pod próżnią w tym samym zamkniętym aparacie. Decydujące są przy tym nie tylko wydajność suszenia, lecz również wrażliwość produktu, zmiany reologiczne podczas suszenia, wymagania dotyczące czyszczenia, opróżnianie resztkowe, zarządzanie rozpuszczalnikiem oraz pożądana integracja procesu.
Odpowiednie produkty
Stożkowy suszarko-mieszalnik jest szczególnie korzystny przy wrażliwych na temperaturę, wysokowartościowych lub krytycznych pod względem kontaminacji proszkach, granulatach, kryształach, zawiesinach i produktach pośrednich. Pod próżnią obniża się temperatura wrzenia wody lub rozpuszczalników organicznych. Odparowanie może zatem przebiegać przy wyraźnie niższych temperaturach produktu niż pod ciśnieniem atmosferycznym. Zmniejsza to obciążenie termiczne substancji czynnych, drobnych chemikaliów, organicznych produktów pośrednich, wrażliwych kryształów lub reaktywnych proszków.
Za systemem stożkowym przemawiają również produkty wrażliwe na ścinanie. Wolno obracające się, pracujące blisko ścianki mieszadło wytwarza trójwymiarowy ruch produktu: produkt jest podnoszony w obszarze zewnętrznym, w obszarze centralnym opada ponownie w dół i trafia z powrotem do aktywnej strefy mieszania. Dzięki temu produkt może być równomiernie przemieszczany bez ciągłego narażania go na silne obciążenia uderzeniowe, rzutowe lub zgniatające. Ma to znaczenie, gdy pękanie kryształów, ścieranie, tworzenie się frakcji drobnej, niszczenie powłok lub zmiana rozkładu wielkości cząstek mają być ograniczone.
Ważnym kryterium wyboru jest rozwój reologii na przestrzeni całego przebiegu suszenia. Wiele produktów wyraźnie zmienia swój stan: początkowo pompowalna zawiesina może przy rosnącej zawartości ciała stałego stać się lepka, tworzyć fazy klejące lub pastowate, przejściowo tworzyć spójne grudki, a na końcu przekształcić się w suchy, płynący proszek. Odpowiedni stożkowy suszarko-mieszalnik musi opanować te przejścia bez trwałych narostów na ściance, niewymieszanych stref lub niedopuszczalnych skoków temperatury. Suszarko-mieszalniki próżniowe/reaktory są projektowane właśnie pod kątem materiałów wilgotnych i lepkich oraz różnych stopni napełnienia; kombinacja ruchu mieszania i pośredniego przenoszenia ciepła może stabilizować przejście od stanów mokrych do suchych.
Wydajność mieszania i suszenia
Stożkowy suszarko-mieszalnik jest odpowiedni wtedy, gdy przenoszenie ciepła i masy podczas suszenia musi być stale odnawiane. Płaszcz zbiornika jest temperowany; w zależności od wykonania temperowalne mogą być również pokrywa, wał, ramiona mieszające i ślimacznica. Dzięki temu w całej objętości produktu dostępne są dodatkowe powierzchnie wymiany ciepła. Mieszanina powinna dotykać tych powierzchni nie tylko punktowo, lecz stale. Ciągła cyrkulacja produktu odnawia kontakt przy ściance i mieszadle oraz ogranicza tworzenie się izolujących warstw produktu. Ogrzewane narzędzia mieszające i dwupłaszczowe zbiorniki mogą w ten sposób wspierać krótsze czasy suszenia oraz bardziej równomierny rozkład temperatury i wilgotności.
Suszarka jest szczególnie odpowiednia, gdy trzeba unikać lokalnego przegrzania, tworzenia się skorupy, tworzenia się grudek lub niejednorodnej wilgotności resztkowej. Podczas suszenia wilgotne obszary produktu są wielokrotnie wprowadzane w kontakt z temperowanymi powierzchniami, podczas gdy suchszy materiał jest zawracany do ruchu produktu. Przy krytycznych fazach pośrednich, pastowatych lub kohezyjnych, może być wymagane dodatkowe narzędzie do deaglomeracji. Ma ono rozbijać grudki tylko tak intensywnie, jak to konieczne, aby ciepło i próżnia mogły ponownie oddziaływać na większą skuteczną powierzchnię produktu.
Ważne jest realistyczne oczekiwanie co do czasu suszenia. Nie jest on określany wyłącznie przez powierzchnię grzewczą, lecz przez poziom próżni, prężność par rozpuszczalnika, wydajność kondensatora, współczynnik przenoszenia ciepła, stopień napełnienia, prędkość obrotową, reologię, powierzchnię cząstek, udział grudek oraz dopuszczalną temperaturę produktu. Zwłaszcza przy produktach z klejącą fazą przejściową dobór powinien być zatem dokonywany na podstawie prób suszenia z produktem oryginalnym.
Integracja procesu
Stożkowy suszarko-mieszalnik lub reaktor stożkowy oferuje korzyści, gdy kilka etapów procesu ma być przeprowadzonych bez przesypywania. W zamkniętym aparacie mogą – w zależności od wykonania i receptury – następować po sobie mieszanie, suspendowanie, reagowanie, krystalizacja, temperowanie, odparowywanie, deaglomeracja, suszenie próżniowe i chłodzenie. Wyeliminowanie transferów między reaktorem, krystalizatorem, filtrem a suszarką może zmniejszyć straty produktu, emisję pyłu, wnikanie wilgoci, utlenianie i zanieczyszczenie krzyżowe. Połączone procesy reakcji, suszenia i próżni w jednym zbiorniku są opisywane jako istotna zaleta takich koncepcji instalacji.
Gdy przetwarzane są rozpuszczalniki organiczne, zamknięta praca pod próżnią jest szczególnie interesująca. Strumień brydenowy może być prowadzony przez filtry i kondensatory. Skondensowany rozpuszczalnik może być zbierany, przetwarzany, ponownie wykorzystywany lub kontrolowanie utylizowany. Odzysk rozpuszczalnika zmniejsza emisje i może poprawiać opłacalność, przede wszystkim przy drogich lub istotnych dla środowiska rozpuszczalnikach.
Aparat powinien być zaprojektowany jako odporny na próżnię oraz ewentualnie na ciśnienie, jeśli oprócz suszenia przewidziane są również etapy reakcji lub krystalizacji. Dla produktów utleniających się, higroskopijnych, toksycznych lub zagrożonych wybuchem ważne są wykonanie umożliwiające inertyzację, odpowiednia koncepcja ochrony przeciwwybuchowej, konstrukcja odporna na próżnię, bezpieczna kondensacja oraz zdefiniowane oczyszczanie gazów odlotowych. Reaktor stożkowy nie zastępuje jednak pełnej analizy bezpieczeństwa. Kalorymetria reakcji, dane dotyczące rozkładu i wybuchu pyłu, graniczne stężenie tlenu, odciążenie ciśnieniowe, dobór kondensatora oraz postępowanie z gazami niekondensującymi się należą do doboru procesowego.
Higiena i eksploatacja
Stożkowy suszarko-mieszalnik jest szczególnie atrakcyjny, gdy istnieją wysokie wymagania co do czyszczenia, zmiany produktu lub containmentu. Konstrukcja pionowa umożliwia kompaktowe ustawienie i wspiera skierowany w dół, wspomagany grawitacyjnie wyładunek. Przy produktach dobrze sypkich można osiągnąć bardzo dalekie opróżnienie. Zmniejsza to straty produktu i ogranicza ryzyko przedostania się pozostałości do kolejnych wsadów. Stożkowe zbiorniki mieszające są między innymi reklamowane jako umożliwiające pełne lub niemal pełne opróżnianie proszków; faktycznie osiągalne ilości resztkowe zależą jednak od wielkości cząstek, klejkości, wilgotności, efektów elektrostatycznych, zaworu wyładowczego i stanu powierzchni.
Dla procesów farmaceutycznych, drobnochemicznych lub specjalistycznej chemii decydujące znaczenie mają gładkie powierzchnie kontaktu z produktem, wyloty o niskiej liczbie stref martwych, konstrukcje przyjazne dla uszczelnień, dostęp inspekcyjny oraz walidowalne koncepcje CIP, WIP lub ewentualnie SIP. Czyszczenie musi być zwalidowane dla konkretnej grupy substancji, rozpuszczalników, najbardziej krytycznej receptury oraz wymaganej granicy pozostałości. Przy substancjach wysokoaktywnych lub toksycznych do koncepcji ogólnej należy dodatkowo włączyć containment, wymianę filtrów, pobieranie próbek, opróżnianie oraz postępowanie z kondensatem brydenowym.
Również wymagana elastyczność wsadu jest kryterium wyboru. Stożkowe systemy mieszające mogą pracować przy różnych stopniach napełnienia, o ile mieszadło, powierzchnia wymiany ciepła, organ wyładowczy i prowadzenie procesu są do tego zaprojektowane. Jest to korzystne dla instalacji wieloproduktowych, instalacji pilotowych lub procesów o zmiennych wielkościach partii. Faktycznie zwalidowany zakres stopnia napełnienia oraz osiągalna jakość mieszania i suszenia muszą jednak zostać wykazane w próbie dla każdej rodziny produktów. Instalacje pilotowe o zmiennych objętościach napełnienia są wyraźnie stosowane do prób skalowania i rozwoju procesu.
Kryteria decyzyjne
Stożkowy suszarko-mieszalnik lub reaktor stożkowy jest szczególnie właściwym wyborem, gdy spełnionych jest kilka z poniższych kryteriów:
Produkt jest wrażliwy na ciepło i ma być suszony przy niskiej temperaturze pod próżnią.
Produkt jest wartościowy, toksyczny, higroskopijny, wrażliwy na utlenianie lub krytyczny pod względem kontaminacji i ma być przetwarzany bez otwartych transferów.
Podczas suszenia występują przejścia reologiczne od zawiesiny, przez pastę lub fazę grudkowatą, aż po sypki proszek.
Struktura kryształów, rozkład wielkości cząstek lub struktura granulatu mają być możliwie zachowane.
Reakcja, krystalizacja, temperowanie, odparowywanie i suszenie mają być połączone w jednym zamkniętym aparacie.
Opary rozpuszczalnika mają być kontrolowanie kondensowane i ewentualnie odzyskiwane.
Daleko idące opróżnianie resztkowe, dobra zdolność do czyszczenia i niskie zanieczyszczenie krzyżowe są istotne ekonomicznie lub regulacyjnie.
Instalacja ma przetwarzać różne wielkości wsadu i mieć możliwie mały footprint ustawienia.
W ten sposób amixon® dobiera odpowiedni suszarko-mieszalnik próżniowy lub reaktor stożkowy
Gdy proszki mają być jednocześnie mieszane i suszone, o odpowiednim wykonaniu aparatu nie decyduje wyłącznie pożądana wydajność suszenia. Rozstrzygające są zakres wielkości wsadu, wymagane okno stopnia napełnienia, pożądane opróżnianie resztkowe, wrażliwość produktu na temperaturę, jego zachowanie reologiczne podczas suszenia, wymagania higieniczne lub sterylne oraz dostępna przestrzeń zabudowy. amixon® dobiera zatem wykonanie nie na podstawie pojedynczej wartości charakterystycznej, lecz na podstawie całego zadania procesowego, a dobór potwierdza próbami z produktem oryginalnym.
Obie serie, stożkowy suszarko-mieszalnik/reaktor AMT oraz pionowy suszarko-mieszalnik/reaktor VMT, są zaprojektowane do zamkniętych procesów mieszania, reakcji, krystalizacji i suszenia próżniowego. Oba aparaty mogą być wykonane jako szczelne ciśnieniowo i próżniowo; możliwa do zrealizowania jest próżnia do około 5 mbar absolutnych. Komora mieszania i mieszadło mogą być temperowane wodą, parą lub olejem termalnym. Dzięki temu produkty można suszyć pod próżnią przy obniżonej temperaturze, kontrolowanie ogrzewać, chłodzić, poddawać reakcji lub krystalizować. Dla produktów zagrożonych wybuchem pyłu komora mieszania może być zaprojektowana dla strefy ATEX 20.
Kryteria wyboru
Pierwsze pytanie dotyczy wielkości wsadu i niezbędnej elastyczności. Jeśli instalacja ma przetwarzać różne wielkości partii, proces mieszania i suszenia musi funkcjonować w sposób odtwarzalny również przy częściowym napełnieniu. Zarówno AMT, jak i VMT mogą być zaprojektowane do niskich stopni napełnienia. Na przykład przy odpowiednim doborze pod produkt możliwe są procesowo bezpieczne stopnie napełnienia od około 15 procent objętości użytkowej. Czy przy danym stopniu napełnienia nadal osiągany jest wystarczający ruch produktu, przenoszenie ciepła, deaglomeracja i opróżnianie resztkowe, sprawdza się z produktem oryginalnym.
Kolejnym ważnym kryterium jest zachowanie reologiczne podczas suszenia. Wiele produktów nie pozostaje sypkich przez cały proces. Zawiesina może przy odparowywaniu początkowo stać się lepka, następnie przejść w stan zwięzło-plastyczny, klejący lub grudkowaty, a dopiero na końcu ponownie rozwinąć się w drobny, sypki proszek. To właśnie ta faza przejściowa często określa zapotrzebowanie na moment obrotowy, wydajność przenoszenia ciepła, wymaganą intensywność mieszania oraz konieczność dodatkowej deaglomeracji. AMT i VMT mogą być wykonane z temperowalnym mieszadłem oraz w razie potrzeby z rotorami tnącymi. Rotor tnący może być włączany tymczasowo, aby rozbić zwięzło-plastyczne aglomeraty, powiększyć skuteczną powierzchnię produktu i utrzymać przenoszenie ciepła oraz masy podczas krytycznej fazy suszenia.
Decydujące znaczenie ma również wrażliwość na temperaturę. Suszenie próżniowe obniża temperaturę wrzenia wody i rozpuszczalników. Dzięki temu produkty można suszyć w niższych temperaturach niż byłoby to możliwe pod ciśnieniem atmosferycznym. Duże temperowalne powierzchnie zbiornika i mieszadła wspierają szybkie, lecz kontrolowane wprowadzanie ciepła. Decydujące jest to, aby mieszanina stale dotykała tych powierzchni. Trójwymiarowa cyrkulacja produktu odnawia kontakt przy temperowanej ściance zbiornika oraz przy wale, ramionach i ślimacznicy. Dzięki temu wilgoć i rozpuszczalnik mogą być skutecznie odprowadzane bez stosowania wysokich prędkości obrotowych narzędzia lub niepotrzebnego obciążenia mechanicznego.
To łagodne prowadzenie procesu jest szczególnie istotne dla produktów wrażliwych termicznie i mechanicznie. Mogą do nich należeć na przykład zarodniki grzybów, kultury bakteryjne, pigmenty efektowe, krystaliczne drobne chemikalia, substancje czynne, wrażliwe granulaty lub cząstki powlekane. Czy aktywność biologiczna, siła barwiąca, struktura kryształów, rozkład wielkości cząstek lub charakter powierzchni faktycznie zostają zachowane, musi każdorazowo zostać potwierdzone w próbie w centrum prób. Aparaturowa możliwość niskich temperatur produktu i niskiej częstotliwości obrotowej stwarza ku temu warunki, nie zastępuje jednak badania specyficznego dla danego produktu.
Kiedy AMT jest odpowiedni
Stożkowy suszarko-mieszalnik/reaktor AMT jest szczególnie odpowiedni, gdy na pierwszym planie stoją daleko idące opróżnianie resztkowe i częste zmiany produktu. Jego stożkowa geometria prowadzi produkt, wspomagany grawitacyjnie, do centralnie umieszczonego zaworu kulowo-segmentowego. Sypkie mieszaniny mogą dzięki temu być opróżniane niemal całkowicie. Jest to szczególnie cenne przy drogich substancjach czynnych, drobnych chemikaliach, substancjach wysokoaktywnych lub recepturach, przy których niewielkie ilości resztkowe mają znaczenie ekonomiczne lub jakościowe.
Centralna geometria wyładunku może ponadto upraszczać czyszczenie, ponieważ pozostawia mniej produktu w bocznych lub poziomych drogach wyładunku. AMT jest dostępny od góry i może być wyposażony w odpowiednie wyposażenie inspekcyjne i czyszczące. W zależności od projektu możliwe są czyszczenie na sucho, koncepcje WIP lub CIP oraz wykonanie sterylizowalne parą. Zdolność do czyszczenia musi być kwalifikowana dla produktu, rozpuszczalnika, limitu pozostałości i strategii zmiany.
AMT nadaje się ponadto do procesów o małych do średnich wsadach lub wyraźnie zmiennych stopniach napełnienia. Jego stożkowy kształt wspiera ruch produktu również przy częściowym napełnieniu. Faktycznie osiągalny zakres pracy zależy jednak od gęstości produktu, klejkości, wielkości ziarna, zapotrzebowania na ciepło, poziomu próżni oraz pożądanego czasu procesu. Dlatego ostateczna decyzja zapada nie tylko na podstawie geometrycznego stopnia napełnienia, lecz na podstawie prób mieszania, suszenia i opróżniania.
Kiedy VMT jest odpowiedni
Pionowy suszarko-mieszalnik/reaktor VMT jest szczególnie odpowiedni, gdy przetwarzane mają być duże wsady, a dostępna przestrzeń zabudowy musi być wykorzystana optymalnie. Jego raczej kubiczne proporcje zbiornika umożliwiają dobry stosunek objętości użytkowej do wysokości i powierzchni podstawy. W siatce standardowej można przewidzieć wielkości konstrukcyjne do około 40 000 litrów; projektowo możliwe są do zrealizowania aparaty od około 100 do 50 000 litrów, w krokach co 100 litrów.
Przy ograniczonej wysokości zabudowy VMT może być wykonany niżej. Przy ograniczonej powierzchni podstawy sensowna może być smuklejsza, wyższa forma konstrukcyjna. Dzięki temu projekt aparatu można dostosować do istniejących budynków, wysokości pomieszczeń czystych, podestów, obciążeń dźwigowych, prowadzenia rurociągów i dostępu serwisowego. VMT może być wyposażony w temperowalny filtr brydenowy. Boczne drzwi inspekcyjne oraz, do wyboru, boczny lub górny właz ułatwiają dostęp do inspekcji, czyszczenia i konserwacji.
Również w przypadku VMT integracja procesu pozostaje centralną zaletą. Mieszanie, reagowanie, krystalizacja, temperowanie, odparowywanie, deaglomeracja i suszenie próżniowe mogą, w zależności od receptury i wykonania aparatu, być przeprowadzane w tej samej zamkniętej przestrzeni procesowej. Zmniejsza to liczbę transferów produktu, obniża potencjał kontaminacji i strat oraz upraszcza odzysk rozpuszczalników poprzez filtr brydenowy i system kondensacji.
Higiena, bezpieczeństwo i dokumentacja
Przy wysokich wymaganiach higienicznych, dotyczących czystości lub sterylności, konstrukcja aparatu jest dostosowywana projektowo do User Requirement Specification. Wykonanie może obejmować bezszczelinowo spawane i wypolerowane powierzchnie kontaktu z produktem, organy wyładowcze o niskiej liczbie stref martwych, zdefiniowane systemy uszczelnień, zintegrowane urządzenia czyszczące oraz dobrze dostępne obszary inspekcyjne. W zależności od zastosowania mogą być uwzględniane wymagania z GMP, EHEDG, wytycznych higienicznych FDA, 3-A Sanitary Standards, USDA, ATEX i ASME.
Dla środowisk regulowanych amixon® może wspierać przy przygotowaniu Design Qualification, Installation Qualification i Operational Qualification. Dokumentacja techniczna i automatyzacja mogą być zorientowane na EU-GMP i FDA 21 CFR Part 11. Zwolnienie produktu i procesu oraz ostateczna walidacja pozostają po stronie użytkownika i jego systemu jakości.
Aparaty są projektowane specyficznie dla projektu na podstawie User Requirement Specification. Dobór obejmuje między innymi geometrię zbiornika, wielkość konstrukcyjną, powierzchnie wymiany ciepła, mieszadło, rotor tnący, technikę próżniową, filtr brydenowy, system kondensacji, materiały, powierzchnie, uszczelnienia, organ wyładowczy, system czyszczenia, przyrządy pomiarowe i automatyzację. Dzięki temu AMT lub VMT można dostosować do konkretnego spektrum produktów, istniejącej infrastruktury oraz wymaganej wydajności produkcyjnej.
Próby przed inwestycją
Ostateczny wybór między AMT a VMT powinien być zabezpieczony próbami z produktem oryginalnym. W centrum prób badane są przewidziane zakresy temperatury i ciśnienia, poziom próżni, kinetyka suszenia, przenoszenie ciepła, przejścia reologiczne, zapotrzebowanie na moment obrotowy, możliwa deaglomeracja, wilgotność resztkowa, odzysk rozpuszczalnika, jakość cząstek, opróżnianie resztkowe oraz zdolność do czyszczenia.
Szczególnie ważne jest odwzorowanie krytycznej fazy procesu: na przykład przejścia od pompowalnej zawiesiny, przez zwięzło-plastyczny lub grudkowaty stan pośredni, aż po suchy proszek. Udokumentowane wyniki prób stanowią podstawę doboru wielkości konstrukcyjnej, powierzchni wymiany ciepła, rezerwy momentu obrotowego, narzędzia mieszającego, systemu próżniowego, wydajności kondensatora, techniki filtracji i automatyzacji. Zmniejszają one ryzyko techniczne i ekonomiczne przed inwestycją.