Jakie koncepcje mieszalników proszków dobrze działają ze znormalizowanymi beczkami dla małych wsadów proszku?
Dla małych wsadów proszku w znormalizowanych beczkach dobrze sprawdzają się przede wszystkim mieszalniki beczkowe i kontenerowe działające na zasadzie grawitacyjnej, o ile proszki są dobrze płynące, w dużej mierze wolne od aglomeratów oraz wystarczająco podobne pod względem wielkości cząstek, kształtu cząstek, gęstości nasypowej i właściwości płynięcia. W pracach rozwojowych szczególnie rozpowszechnione są obrotowe mieszalniki beczkowe, mieszalniki kołyskowe i trójwymiarowe mieszalniki kontenerowe. Zamknięta beczka jest przy tym mocowana w bezpiecznym urządzeniu mocującym i poruszana jako kompletny zbiornik mieszający poprzez obrót, przewracanie lub ruch nałożony. Ponieważ żadne narzędzia mieszające nie zanurzają się w przestrzeni produktu, struktura ziarna jest traktowana stosunkowo delikatnie. Jednocześnie produkt pozostaje w oryginalnym opakowaniu, dzięki czemu ograniczone są straty przy przesypywaniu, powierzchnie instalacji mające kontakt z produktem oraz nakład na czyszczenie ramy mieszalnika. Mieszalniki bębnowe są dostępne również dla mniejszych opakowań; typowe na rynku systemy obejmują na przykład beczki do około 220 litrów oraz małe pojemniki laboratoryjne.
Czyste rotacyjne mieszalniki beczkowe mają szczególnie prostą budowę. Beczka jest zabezpieczana za pomocą pasów mocujących, kształtek formujących, regulowanych ramion mocujących lub wymiennych adapterów na płaszczu lub na krawędzi beczki i poruszana wokół zdefiniowanej osi. Mieszalniki kołyskowe i trójwymiarowe rozszerzają czysty ruch obrotowy o dodatkowe ruchy wahadłowe lub inwersyjne. Może to poprawić wymianę obszarów produktu. Dla wrażliwych granulatów i dobrze płynących mieszanin proszkowych te koncepcje są często odpowiednie, ponieważ obciążenie mechaniczne pozostaje niskie i nie ma stykających się z produktem narzędzi mieszających do czyszczenia.
Te zalety nie powinny jednak przesłaniać faktu, że mieszalniki grawitacyjne nadają się tylko w ograniczonym zakresie do wielu wymagających receptur proszkowych. Zasada mieszania opiera się na swobodnym ruchu pojedynczych cząstek oraz na powtarzanych ruchach usypowych i lawinowych. Silnie kohezyjne proszki mogą być przy tym poruszane jako spójne aglomeraty lub „bryły”, bez wystarczająco drobnego rozprowadzenia. Dla takich produktów wprowadzana energia ścinania często nie wystarcza, aby niezawodnie rozbić aglomeraty; w razie potrzeby konieczny jest mieszalnik dynamiczny z narzędziami i zdefiniowanym działaniem ścinającym. Mieszalniki grawitacyjne z kolei mogą wykazywać skłonność do segregacji przy bardzo dobrze płynących komponentach. Różnice w wielkości cząstek, gęstości nasypowej, kształcie lub właściwościach powierzchni sprzyjają segregacji podczas mieszania, a zwłaszcza przy rozładunku.
Dla receptur o dużych różnicach między komponentami, z trudno dozowalnymi mikroskładnikami, z silnie kohezyjnymi proszkami, z wymaganym wprowadzaniem cieczy lub z wysokimi wymaganiami jednorodności lepszym rozwiązaniem są zatem często dokowane laboratoryjne głowice mieszające. Beczka pozostaje przy tym zbiornikiem na produkt, podczas gdy zewnętrzna głowica mieszająca jest dokowana szczelnie pyłowo od góry. Jako narzędzia mieszające stosuje się na przykład narzędzia wężownicowe, śmigłowe, kotwicowe lub dyspergujące. Taki system może wprowadzać znacznie wyższe i bardziej ukierunkowane działanie ścinające niż mieszalnik grawitacyjny. Nadaje się on zatem do ciał stałych kohezyjnych, zadań nawilżania, zawiesin oraz cieczy z zawieszonymi ciałami stałymi. Dla układów ciekłych lub pastowatych dobór narzędzia musi być dostosowany do właściwości płynięcia danego medium.
Stacje dokowania dennego i opróżniania są kolejną możliwością, gdy produkty z beczek mają być dozowane, homogenizowane lub przetwarzane jako zawiesina. Beczka jest nasadzana na stację dokowania i łączona za pomocą odpowiedniej armatury opróżniającej. Mieszadło może być przy tym wprowadzane do zbiornika od góry lub od dołu, aby unieść osady lub zhomogenizować zawiesinę ciała stałego przed rozładunkiem. Rozwiązania te są szczególnie istotne wtedy, gdy produkt podczas magazynowania sedymentuje lub gdy ciała stałe muszą zostać ponownie równomiernie rozprowadzone w cieczy przed napełnianiem opakowań.
Systemy dyssolwerów i rotor-stator w wykonaniu beczkowym nie nadają się przede wszystkim do suchego mieszania proszków, lecz do wytwarzania dyspersji, emulsji i zawiesin. Wytwarzają one wysokie lokalne siły ścinające i mogą drobno dyspergować pigmenty, aglomeraty ciała stałego lub układy ciecz-ciało stałe. Typowe zastosowania obejmują lakiery, powłoki, formulacje kosmetyczne, kleje i produkty chemiczno-techniczne. Dla formulacji pastowatych można stosować kompaktowe mieszalniki planetarne lub systemy dwuramienne, w których narzędzia poruszają się zarówno wokół własnej osi, jak i wzdłuż ściany zbiornika. Takie systemy nadają się do mediów pastowatych, klejów lub mas uszczelniających; pojęcie lepkości odnosi się w tym kontekście do ciekłej lub pastowatej fazy ciągłej, a nie do suchych proszków.
Dla bezpiecznego przetwarzania różnych wielkości beczek istotne jest odpowiednie mocowanie. Beczki stalowe mogą być z reguły mocowane za pomocą solidnych systemów mocujących lub centrujących. Beczki z tworzywa sztucznego i wiaderka typu hobbock wymagają natomiast powierzchniowego rozłożenia obciążenia, na przykład za pomocą szerokich pasów mocujących, dopasowanych kształtek formujących lub adapterów koszowych, aby nie odkształcały się pod obciążeniem dynamicznym. Małe pojemniki laboratoryjne można stabilnie mocować za pomocą adapterów redukcyjnych. Rampy przyspieszania i hamowania powinny być tak ustawione, aby opakowanie, armatury zamykające i produkt nie były niepotrzebnie obciążane dynamicznie. Dodatkowo konieczne jest bezpieczne ryglowanie pokrywy, kontrola integralności beczki oraz przy produktach pylących odpowiednie środki ochronne przed niezamierzonym uwolnieniem.
Mieszanie w oryginalnej beczce oferuje w pracach badawczo-rozwojowych wyraźne korzyści organizacyjne. Beczka może służyć jako opakowanie do mieszania, magazynowania i transportu. Dzięki temu zmniejsza się liczba przekazań produktu, co może obniżyć straty i ryzyko kontaminacji krzyżowej. Ponadto wsady doświadczalne można szybko przetwarzać jeden po drugim, ponieważ przy zamkniętym opakowaniu rama mieszalnika nie ma wewnętrznych powierzchni stykających się z produktem. Dla substancji toksycznych, pylących lub zawierających rozpuszczalniki szczególnie ważny jest zamknięty, mechanicznie bezpieczny system. Czy mocowanie beczki i cała instalacja są odpowiednie dla danej strefy ATEX lub określonego poziomu containment, musi zostać sprawdzone osobno.
Proste skalowanie z beczki laboratoryjnej na mieszalnik produkcyjny nie jest jednak oczywiste. Przenoszalność zależy od zasady mieszania, geometrii zbiornika, stopnia napełnienia, toru ruchu, prędkości obrotowej, właściwości produktu i kolejności dozowania. Wskaźniki takie jak liczba Froude'a mogą dawać orientację przy systemach rotacyjnych, ale nie zastępują prób w istotnej skali. Właśnie dlatego, że stopień segregacji może się zmieniać wraz z wielkością opakowania, wysokością spadku, ruchem powietrza i geometrią rozładunku, jednorodność powinna być sprawdzana zarówno po mieszaniu, jak i po transporcie i opróżnianiu. Badania pokazują, że różnice we właściwościach cząstek, a zwłaszcza w wielkości cząstek, mogą istotnie wpływać na jednorodność i ryzyko segregacji.
Koncepcje mieszania w beczkach i kontenerach IBC firmy amixon®
Dla małych wsadów proszku w znormalizowanych beczkach amixon® oferuje z mieszalnikiem jednowałowym EM koncepcję mieszania, która łączy zalety logistyki beczkowej z dynamicznym, precyzyjnie sterowalnym działaniem mieszającym. Dla większych wsadów oraz strumieni materiału opartych na IBC dostępny jest mieszalnik kontenerowy COM. Oba systemy zasadniczo różnią się od mieszalników grawitacyjnych lub kołyskowych: opakowanie nie jest obracane ani przewracane jako zamknięty zbiornik, lecz pozostaje podczas procesu w pozycji pionowej lub w zdefiniowanym ustawieniu ukośnym. Homogenizacja odbywa się za pomocą aktywnie napędzanego narzędzia mieszającego. Dzięki temu można przetwarzać także produkty, które nadają się tylko w ograniczonym zakresie do czystych systemów mieszania grawitacyjnego, na przykład proszki kohezyjne, wilgotne mieszanki ciał stałych, aglomerowane surowce lub mieszanki z dodatkiem cieczy.
Mieszalnik jednowałowy amixon® EM jest zaprojektowany do małych wsadów rozwojowych, produkcji małoseryjnej i wsadów just-in-time. W zależności od wykonania obejmuje wielkości wsadów od około 5 do 200 litrów i może być zasilany oraz opróżniany za pomocą znormalizowanych beczek lub beczek z pokrywą. Beczka jest dostarczana do mieszalnika za pomocą ręcznego wózka podnośnikowego i dokowana w sposób niskopyłowy. Poprzez kontrolowany ruch wahadłowy mieszalnik zostaje napełniony; po zakończeniu procesu mieszania zhomogenizowany produkt może zostać tą samą drogą przekazany z powrotem do beczki. Beczka służy zatem jako opakowanie transportowe i przyjmujące, podczas gdy właściwy proces mieszania odbywa się w przestrzeni mieszania amixon®.
Przestrzeń mieszania EM może być przechylana w celu napełniania, opróżniania i intensyfikacji procesu. W pozycji ukośnej pionowy ruch produktu wywołany przez narzędzie mieszające nakłada się na przepływ poprzeczny. Produkt jest transportowany w obszarze peryferyjnym w górę, w obszarze centralnym prowadzony ponownie w dół i jednocześnie przemieszczany bocznie. Ten trójwymiarowy przepływ sprzyja równomiernej homogenizacji, również przy małych stopniach napełnienia. Stopień napełnienia może, w zależności od produktu i wykonania, mieścić się w szerokim zakresie od około 10 do 100 procent objętości użytkowej. Intensywność mieszania jest regulowana: dla szczególnie łagodnych zadań homogenizacji można pracować z niską prędkością obrotową narzędzia; w razie potrzeby można zastosować rotory tnące lub noże HighShearBlades, aby celowo rozbijać aglomeraty i wspierać wmieszanie małych ilości substancji czynnych lub dodatków.
EM nadaje się w szczególności do premiksów i utierania. Takie etapy procesu są ważne, gdy niewielkie ilości wysoko skoncentrowanych składników czynnych, witamin, minerałów lub pierwiastków śladowych muszą zostać najpierw wstępnie zmieszane z odpowiednią masą nośną. Celem premiksu jest wprowadzenie mikroskładników w sposób kompletny i drobno rozprowadzony do wystarczająco dużego udziału proszku nośnikowego. Powstały premiks może następnie zostać wprowadzony do większej mieszanki końcowej. Takie postępowanie jest istotne na przykład w przypadku produktów farmaceutycznych, nutraceutyków, mieszanek dietetycznych i żywności dla niemowląt. Wymagana jakość mieszania oraz odpowiednia strategia pobierania próbek muszą zostać wykazane dla każdej receptury.
Również ciecze mogą być w sposób kontrolowany wmieszane w proszek w EM. Odpowiednie dozowanie cieczy oraz, w razie potrzeby, drobno rozpylające urządzenie wprowadzające umożliwiają możliwie równomierne rozprowadzenie małych ilości cieczy w poruszanym proszku. Dla solidnego doboru rozwiązania należy uwzględnić zwilżalność, kohezyjność, wilgotność wyjściową, strukturę cząstek, prędkość dozowania i możliwą aglomerację. Przy silnie kohezyjnych proszkach lub produktach z wyraźnymi aglomeratami dodatkowe mieszanie intensywne może wspierać deaglomerację. Jak przy wszystkich procesach mieszania proszków, rzeczywista przydatność powinna zostać potwierdzona próbami z produktem oryginalnym.
Dla większych wsadów można zastosować mieszalnik kontenerowy amixon® COM. Sam kontener pełni przy tym funkcję przestrzeni mieszania i pozostaje podczas procesu mieszania w pozycji pionowej lub lekko nachylonej. Narzędzie mieszające zanurzane od góry wytwarza wymagany ruch produktu. Mieszanie odbywa się zatem nie poprzez przewracanie kontenera, lecz za pomocą aktywnie napędzanego systemu mieszającego w zamkniętym zbiorniku. amixon® opisuje COM jako mieszalnik kontenerowy do wysokiej jakości mieszanin; w zależności od wykonania może on być eksploatowany ze znormalizowanymi kontenerami IBC oraz specjalnymi zbiornikami Mixtainer®.
W COM można zastosować narzędzie mieszające SinConvex® i MultiPane®. Narzędzie mieszające jest wprowadzane od góry do gazoszczelnie zamkniętego kontenera, homogenizuje produkt, a następnie jest wyprowadzane z powrotem ruchem rewersyjnym. SinConvex® wspiera intensywny trójwymiarowy przepływ oraz dobre prowadzenie produktu aż do obszarów przydennych i przyściennych. MultiPane® jest odpowiednie do szczególnie łagodnych procesów mieszania i może być stosowane, gdy wrażliwe struktury cząstek, granulaty lub aglomeraty mają zostać możliwie zachowane. COM może być zatem stosowany zarówno do proszków suchych i wilgotnych, jak i do produktów o wymagających kryteriach jednorodności. Konkretne zadanie mieszania, osiągalna jednorodność i odpowiedni stopień napełnienia są przy tym określane poprzez próby z produktem.
Kluczową zaletą obu koncepcji jest połączenie procesu mieszania z logistyką opakowań. Zmniejsza się liczba etapów przesypywania, dzięki czemu można ograniczyć straty produktu, emisje pyłu oraz interfejsy potencjalnej kontaminacji krzyżowej. Opakowanie może być wykorzystywane do ważenia, magazynowania pośredniego, transportu wewnątrzzakładowego oraz przejęcia gotowego produktu. W EM produkt jest homogenizowany w mieszalniku, a następnie przekazywany z powrotem do znormalizowanej beczki. W COM homogenizacja odbywa się bezpośrednio w kontenerze. Taka organizacja procesu jest szczególnie korzystna dla małych i zmiennych wsadów, dla mieszalni usługowych oraz dla zakładów z częstymi zmianami produktu lub receptury.
Czyszczalność jest elementem koncepcji instalacji. W EM przestrzeń mieszania może być na czas czyszczenia przechylona do ergonomicznie korzystnej pozycji. W COM można zadokować Washtainer® do automatycznego czyszczenia na mokro narzędzia mieszającego. Dla zastosowań o wysokich wymaganiach higienicznych systemy mieszające mogą być wykonane z geometriami ubogimi w strefy martwe, dobrze dostępnymi powierzchniami stykającymi się z produktem oraz odpowiednimi funkcjami uszczelniającymi i czyszczącymi. amixon® wskazuje dla COM między innymi urządzenia WIP z szybkozłączami aseptycznymi oraz przydatność do wysokich wymagań higienicznych. Czy wymagane jest czyszczenie na sucho czy na mokro i w jaki sposób musi być ono walidowane, zależy od receptury, ryzyka alergenowego lub związanego z substancją czynną, adhezji produktu oraz wymagań eksploatacyjnych.
Programy mieszania mogą być zapisane w sterowniku PLC i wykonywane w sposób powtarzalny dla każdego wsadu. Mogą do nich należeć czas mieszania, prędkość obrotowa narzędzia, fazy mieszania intensywnego, kolejność dodawania, dozowanie cieczy oraz, w razie potrzeby, profile temperaturowe. Połączenie z systemem ERP lub systemem Manufacturing Execution System, a także rejestracja za pomocą kodów kreskowych lub RFID, może wspierać pełne przypisanie receptury, surowców, opakowania, wsadu, parametrów procesu i statusu czyszczenia. Tworzy to solidną podstawę identyfikowalności, walidacji procesu oraz oceny dostępności instalacji.
Wszystkie właściwości higieniczne opierają się na konstrukcyjnie przyjaznym dla czyszczenia wykonaniu. Należą do nich powierzchnie spawane i szlifowane ubogie w szczeliny, mieszadła łożyskowane od góry bez dolnego przepustu wału stykającego się z produktem, duże drzwi inspekcyjne oraz organy wyładowcze ubogie w strefy martwe. Drzwi inspekcyjne CleverCut® z uszczelnieniami OmgaSeal® mogą poprawiać dostępność i wspierać trwale szczelne, przyjazne dla czyszczenia wykonanie. W zależności od projektu można przewidzieć również zintegrowane lance myjące lub w pełni automatyczne funkcje czyszczenia na mokro. Wykonanie zgodne z wytycznymi EHEDG oraz z uwzględnieniem wytycznych higienicznych FDA lub 3-A Sanitary Standards jest możliwe w zależności od projektu.
Przed wyborem systemu mieszania konieczne jest potwierdzenie przydatności z użyciem oryginalnego produktu. W centrum prób amixon® w Paderborn dostępnych jest ponad 30 instalacji testowych w różnych wielkościach; dodatkowo istnieją centra prób w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. W próbach odwzorowywane są rzeczywiste stopnie napełnienia, wielkości wsadów oraz warunki temperatury i ciśnienia. Ocenie podlegają jakość mieszania, delikatne traktowanie produktu, wprowadzanie energii, deaglomeracja, wmieszanie cieczy, opróżnialność, czyszczalność oraz powtarzalność w późniejszej eksploatacji. Udokumentowane wyniki tworzą solidną podstawę do technicznego i ekonomicznego doboru wybranego rozwiązania mieszania w beczkach lub kontenerach IBC.