Program prób skalowania w centrum prób dla materiałów sypkich ma na celu weryfikację zamierzonej jakości mieszania (docelowego RSD) oraz wymaganych stopni opróżniania w warunkach zbliżonych do praktyki, zanim proces zostanie przeniesiony do skali produkcyjnej.

Definicja celów i kryteria akceptacji

Na początku ustalane są krytyczne atrybuty jakości (CQA) i krytyczne parametry procesu (CPP), z których wyprowadza się jednoznaczne wielkości docelowe i wartości graniczne:

• docelowe RSD jako miara jakości mieszania (na przykład rozkładu substancji czynnej w recepturach),
• stopień opróżniania jako miara efektywności procesu, definiowany zwykle przez dopuszczalną pozostałość w procentach masy wsadu,
• wartości graniczne zanieczyszczenia krzyżowego w instalacjach wieloproduktowych,
• wskaźniki drugorzędne, takie jak czas cyklu, wprowadzanie energii i nakład na czyszczenie.

Kryteria te tworzą ramy odniesienia dla oceny wyników z centrum prób i ich zwolnienia dla skali produkcyjnej.

Charakterystyka materiału jako podstawa

Wiarygodne planowanie wymaga szczegółowej znajomości właściwości materiału sypkiego, ponieważ wpływają one w decydującym stopniu na jakość mieszania i zachowanie przy opróżnianiu:

• wielkość cząstek, jej rozkład i współczynnik kształtu,
• gęstość nasypowa i gęstość utrzęsiona, zachowanie przy zagęszczaniu, Hausner-Faktor,
• właściwości przepływowe (na przykład aparat pierścieniowy do ścinania, tester przepływu), kohezja i adhezja,
• zawartość wilgoci, higroskopijność, zachowanie elektrostatyczne,
• skłonność do segregacji i wrażliwość na obciążenia ścinające.

Dane te wspierają wybór parametrów procesu, interpretację pomiarów RSD oraz ocenę przyczepności do ścianek i powstawania pozostałości.

Plan doświadczeń i strategia skalowania

Program w centrum prób jest idealnie strukturyzowany za pomocą statystycznego planowania doświadczeń (Design of Experiments, DoE):

• czynniki: stopień napełnienia, prędkość obrotowa lub prędkość końcówki albo liczba Froude'a, czas mieszania, kolejność załadunku, stosunek wielkości wsadów, temperatura, ciśnienie,
• zasady skalowania: podobieństwo geometryczne pojemników, podobieństwo kinematyczne (na przykład przez liczbę Froude'a lub prędkość obwodową) oraz w razie potrzeby podobieństwo dynamiczne przy proszkach kohezyjnych,
• typy planów: plany przesiewowe (na przykład frakcyjny plan czynnikowy) do identyfikacji krytycznych czynników wpływających, a następnie plany powierzchni odpowiedzi do optymalizacji i ustalenia stabilnej przestrzeni projektowej,
• powtórzenia i punkty centralne: do oszacowania wariancji procesu i weryfikacji powtarzalności RSD oraz stopnia opróżniania.

Liczba Froude'a odnosi się przy tym do obrotowych mieszalników swobodnego spadku, bębnowych i rzutowych oraz do układów z poziomo łożyskowanym mieszadłem. Przy mieszalnikach pionowych z wymuszonym przemieszczaniem nie jest ona kryterium doboru ani skalowania. Miarodajne jest tam to, że zasada mieszania pozostaje taka sama we wszystkich wielkościach, a przemieszczanie obejmuje całą komorę mieszania niezależnie od stopnia napełnienia; przenoszalność zabezpiecza się w centrum prób z produktem oryginalnym.

W ten sposób identyfikowane są kombinacje parametrów, które w powiększonej skali zapewniają wystarczającą jednorodność i efektywne opróżnianie.

Pobieranie próbek do weryfikacji docelowego RSD

Strategia pobierania próbek jest decydująca dla wiarygodności wyznaczenia RSD:

• próbki z różnych strefy pojemnika (rdzeń, ścianka, góra i dół, potencjalne „strefy martwe”) do oceny jednorodności,
• wystarczająca liczba punktów pobierania próbek i powtórzeń, dostosowana do objętości i strefy krytycznych,
• odpowiednie narzędzia do pobierania próbek (na przykład próbnik zagłębny, Thief Sampler) lub systemy PAT w linii, aby uniknąć segregacji podczas poboru,
• ustalenie wielkości próbki w relacji do dawki jednostkowej lub do metody analitycznej.

Ocena statystyczna dostarcza RSD jako wskaźnik jakości mieszania i pokazuje, czy docelowe RSD jest stabilnie osiągane w skali centrum prób.

Wyznaczanie i optymalizacja stopnia opróżniania

Do weryfikacji stopnia opróżniania łączone są metody grawimetryczne i wizualne:

• bilans masowy przez odważenie masy podanej i pobranej; różnica definiuje pozostałość, a tym samym stopień opróżniania,
• analiza strefy martwych, nalepów na ściankach i skupisk produktu w organach wylotowych i przewodach,
• zmiana strategii wyładunku (na przykład wibracje, napowietrzanie, kąt nachylenia, wspomaganie wyładunku), aby zminimalizować tworzenie sklepień i zaleganie (hold-up),
• inspekcja wizualna lub endoskopowa do identyfikacji strefy krytycznych i wyprowadzenia działań konstrukcyjnych.

Wysoki stopień opróżniania zmniejsza straty materiału, upraszcza czyszczenie i obniża ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego.

Wpływ konstrukcji i sił ścinających

Przy skalowaniu zmieniają się geometria, obciążenia i warunki ścinania:

• zmiany stosunku powierzchni do objętości wpływają na efekty przyścienne i ciśnienie materiału sypkiego,
• podwyższone siły ścinające przy większych wirnikach i niezmienionej prędkości obrotowej mogą powodować pękanie cząstek, zmianę rozkładu wielkości cząstek, a tym samym pogorszenie RSD,
• szczególne cechy geometryczne, takie jak elementy wewnętrzne, przegrody i geometrie wylotów, wpływają na wzorce przepływu i zachowanie przy opróżnianiu.

W programie w centrum prób analizowana jest dlatego energia kinetyczna na jednostkę objętości i wynikająca z niej intensywność mieszania, aby znaleźć kompromis między jednorodnością a integralnością produktu.

Ocena, dokumentacja i przenoszalność

Na koniec próby w centrum prób są systematycznie oceniane i dokumentowane:

• analiza statystyczna (na przykład ANOVA, modele regresji) do identyfikacji czynników istotnych dla RSD i stopnia opróżniania,
• ustalenie odpornej przestrzeni projektowej oraz udowodnionego dopuszczalnego zakresu (Proven Acceptable Range, PAR) dla istotnych CPP,
• wyprowadzenie rejestru ryzyk (na przykład FMEA) dla przeniesienia do skali produkcyjnej,
• dokumentacja strategii skalowania, metod pobierania próbek i pomiaru oraz kryteriów akceptacji jako podstawa walidacji i produkcji rutynowej.