Jakie rodzaje mieszalników kontenerowych istnieją i czym się od siebie różnią?
Mieszalniki kontenerowe można zasadniczo podzielić na dwie grupy: systemy, w których sam kontener służy jako komora mieszania, oraz instalacje oparte na kontenerach, w których standardowe kontenery dostarczają produkt do stacjonarnego mieszalnika i po procesie mieszania ponownie go przejmują. Dochodzą do tego różne zasady mieszania. Szczególnie rozpowszechnione są mieszalniki grawitacyjne lub zataczające, w których poruszany jest cały zbiornik, oraz mieszalniki kontenerowe z aktywnie napędzanym narzędziem mieszającym. Konstrukcje te różnią się przede wszystkim działaniem mieszającym, łagodnością wobec produktu, przydatnością do wymagających receptur, hermetyzacją oraz logistyką czyszczenia i produkcji.
Podstawowa idea mieszalnika kontenerowego polega na włączeniu zbiornika transportowego lub zasilającego w proces mieszania. Zbiornik jest napełniany, dokowany do jednostki napędowej lub stacji mieszania, tam mieszany, a następnie transportowany dalej jako zamknięty zbiornik produktu, magazynowany lub bezpośrednio przekazywany do kolejnego etapu procesu. W najkorzystniejszym przypadku napełnianie, mieszanie, magazynowanie pośrednie, transport i opróżnianie odbywają się w tym samym IBC. W odróżnieniu od tego, mieszalnik stacjonarny posiada trwale zainstalowaną komorę mieszania. Produkt jest przekazywany z jednego lub kilku kontenerów do mieszalnika, tam przetwarzany, a następnie ponownie wyładowywany do kontenera, zbiornika procesowego lub instalacji napełniającej.
Praktyczna korzyść koncepcji kontenerowej polega przede wszystkim na odpadających lub zmniejszonych przekazaniach produktu. Każdy proces przesypywania jest potencjalnym źródłem emisji pyłu, strat produktu, zanieczyszczenia krzyżowego, rozsegregowania i narażenia operatora. Jeśli produkt pozostaje możliwie długo w tym samym zamkniętym zbiorniku, zmniejsza się liczba tych krytycznych punktów styku. Jest to szczególnie istotne przy surowcach krytycznych pod względem alergenów, silnie działających substancjach czynnych, proszkach toksycznych, drażniących lub o intensywnym zapachu. Mieszanie oparte na kontenerach umożliwia ponadto, że jeden IBC może być czyszczony, napełniany lub przygotowywany do wyładunku, podczas gdy na stacji mieszania przetwarzany jest już inny zbiornik. Dzięki temu mieszanie, czyszczenie i logistykę można rozdzielić czasowo; przy częstych zmianach receptury może to wyraźnie zwiększyć dostępność instalacji.
Najprostszą formą mieszalnika kontenerowego jest mieszalnik grawitacyjny lub zataczający. Zamknięty zbiornik jest przy tym umieszczany w ramie i obracany lub poruszany wokół osi poziomej lub, w razie potrzeby, kilku osi. Cząstki wewnątrz są wielokrotnie unoszone, opadają z powrotem, dzielą się i ponownie się łączą. Działanie mieszające opiera się więc głównie na swobodnym przepływie i redystrybucji materiału sypkiego. Mieszalniki grawitacyjne są często bardzo łagodne, ponieważ pracują bez szybko obracających się narzędzi mieszających, silnego ścinania czy wysokich lokalnych wprowadzeń siły. Kruche granulaty, łamliwe aglomeraty czy cząstki wrażliwe na ścieranie mogą przy odpowiednich warunkach zostać dobrze zachowane. Bin blender lub mieszalnik zataczający typu IBC jest typowym wykonaniem tej zasady.
Szczególna łagodność mieszalnika grawitacyjnego jest jednak związana z jasnymi warunkami. Komponenty powinny być suche, dobrze sypkie i możliwie podobne pod względem wielkości ziarna, gęstości nasypowej i właściwości płynięcia. Nie powinny mieć skłonności do przylegania, tworzenia grudek ani wyraźnego ładunku elektrostatycznego. Także stopień napełnienia zbiornika musi być dopasowany do geometrii i przebiegu ruchu. Jeśli składniki mają silnie różniące się gęstości lub wielkości cząstek, mogą podczas swobodnego przepływu podążać różnymi torami ruchu. Wtedy istnieje ryzyko, że mieszanina nie poprawi się, lecz ponownie ulegnie rozsegregowaniu. Dotyczy to zwłaszcza bardzo drobnych, kohezyjnych proszków, produktów wilgotnych lub lepkich, receptur ze składnikami dozowanymi w niewielkich ilościach oraz mieszanin o bardzo różnych właściwościach surowców. Mieszalnika grawitacyjnego nie należy więc wybierać wyłącznie ze względu na jego dużą łagodność wobec produktu. Jego przydatność musi zostać praktycznie sprawdzona z rzeczywistą recepturą i przewidzianym stopniem napełnienia.
Drugą konstrukcją są mieszalniki kontenerowe z aktywnym narzędziem mieszającym. Tutaj zbiornik podczas mieszania zasadniczo pozostaje komorą mieszania. Głowica mieszająca jest jednak wprowadzana od góry lub z boku do kontenera i wytwarza określone przemieszanie produktu. Narzędzie może poruszać materiał sypki trójwymiarowo i celowo obejmować różne obszary zbiornika. Dzięki temu można realizować także bardziej wymagające zadania mieszania, na przykład gdy składniki mają różne gęstości nasypowe i wielkości ziarna, gdy bardzo mała ilość dodatku ma zostać jednorodnie wmieszana lub gdy trzeba wprowadzić ciecze, zawiesiny, pasty lub składniki wilgotne.
Aktywny mieszalnik kontenerowy może mieć wyraźnie szersze okno zastosowań niż czysty mieszalnik grawitacyjny. Może wytwarzać celowy strumień produktu, rozbijać aglomeraty, unikać lokalnych gniazd surowca i poprawiać jednorodność również przy produktach trudniej płynących. Wyższa zdolność procesowa niesie jednak ze sobą wyzwanie konstrukcyjne: narzędzie mieszające musi zanurzać się w zbiorniku, a po procesie mieszania być ponownie wysuwane. Wymaga to stosunkowo dużego otworu kontenera. Przy produktach pylących, toksycznych, szkodliwych dla zdrowia lub o intensywnym zapachu ten otwarty punkt styku jest wymagający, ponieważ przy wjeżdżaniu i wyjeżdżaniu narzędzia może dochodzić do uwalniania pyłu. Kontener z aktywnym narzędziem mieszającym nadaje się więc szczególnie do produktów, które wprawdzie wymagają precyzyjnego i aktywnego działania mieszającego, ale których potencjał pylenia i zagrożenia jest kontrolowalny lub dla których dostępna jest odpowiednia koncepcja hermetyzacji.
Kolejnym istotnym wariantem jest instalacja mieszająca oparta na kontenerach ze stacjonarnym mieszalnikiem. W tym przypadku sam kontener nie pozostaje komorą mieszania. Standardowe IBC służą jako zamknięte zbiorniki zasilające i odbiorcze. Są dokowane do wlotu trwale zainstalowanego mieszalnika, produkt jest przekazywany pyłoszczelnie do komory mieszania, a po procesie mieszania ponownie wyładowywany do IBC. Proces mieszania odbywa się na przykład w mieszalniku stożkowym, mieszalniku pionowym lub innym stacjonarnym mieszalniku precyzyjnym. Koncepcja ta łączy zalety logistyczne znormalizowanych kontenerów z komorą mieszania, której narzędzie, geometria, dodawanie cieczy, temperowanie, technika próżniowa i element wyładunku mogą być celowo zaprojektowane pod konkretną recepturę.
Stacjonarna instalacja mieszająca z przyłączem standardowego IBC jest często bardziej solidnym rozwiązaniem dla materiałów sypkich pylących, toksycznych, krytycznych pod względem alergenów, o intensywnym zapachu lub silnie działających. Standardowe IBC posiadają zwykle króciec napełniający i wylotowy z odpowiednią armaturą zamykającą. Można je pyłoszczelnie podłączać do stacji dokujących. Stacje takie mogą, zależnie od zadania, być wyposażone w urządzenia ważące, wspomaganie wibracyjne, filtry, zautomatyzowaną armaturę lub rozszerzone rozwiązania hermetyzacji. Dzięki temu przekazania produktu pozostają kontrolowalne, mimo że mieszalnik jest odrębną przestrzenią procesową. Dla złożonych zadań mieszania, dodawania cieczy, produktów wilgotnych, silnie różniących się właściwości surowców lub wysokich wymagań co do jednorodności koncepcja ta jest często odpowiedniejsza niż czysty mieszalnik zataczający typu IBC.
Różnica między kontenerem jako komorą mieszania a mieszalnikiem stacjonarnym z przyłączem kontenerowym polega więc nie tylko na technice mieszania, lecz również na organizacji produkcji. Jeśli miesza się sam kontener, stacja mieszania może pozostać w dużej mierze wolna od produktu. IBC jest po procesie odłączany, transportowany dalej i w razie potrzeby czyszczony poza stacją mieszania. Ułatwia to zmiany receptury i może zmniejszać zanieczyszczenie krzyżowe. Wymaga to jednak wystarczającej liczby kontenerów, powierzchni do ich ustawienia, możliwości czyszczenia oraz sprawnie działającej logistyki zbiorników. Jeśli stosowany jest mieszalnik stacjonarny, komora mieszania, drogi produktu, armatura wyładunku oraz ewentualne elementy wewnętrzne muszą być czyszczone i walidowane. W zamian mieszalnik może być zaprojektowany pod dużą liczbę różnych receptur i zoptymalizowany pod kątem wymagających zadań mieszania.
Przy częstych zmianach produktu i umiarkowanych wielkościach wsadów koncepcja IBC może być szczególnie ekonomiczna. Podczas gdy jeden zbiornik jest mieszany, kolejny IBC może być już napełniany surowcami. Trzeci zbiornik może być czyszczony, sprawdzany lub przygotowywany do napełniania. Właściwa stacja mieszania nie musi wtedy czekać na czyszczenie lub przygotowanie kolejnego kontenera. Przy dużych, niezmiennych wsadach mieszalnik stacjonarny może natomiast oferować korzyści, ponieważ zapewnia wysoką wydajność na powierzchnię ustawienia i może być efektywnie eksploatowany dla stałej rodziny produktów.
Wybór odpowiedniego kontenera jest równie ważny jak wybór mieszalnika. Decydujące są nie tylko objętość znamionowa i wymiary zewnętrzne. Kontener musi być dopasowany do właściwości płynięcia produktu. Okrągły IBC może opróżniać się korzystniej, podczas gdy zbiornik prostokątny lepiej wykorzystuje dostępną przestrzeń. Kąt stożka, średnica króćca wylotowego, rodzaj armatury zamykającej i jakość powierzchni wpływają na to, czy proszek może być wyładowywany bezpiecznie, możliwie bezresztkowo i bez rozsegregowania. Przy produktach kohezyjnych, wilgotnych, elektrostatycznie ładujących się lub tworzących mostki mogą być konieczne większe wyloty, bardziej strome stożki, odpowiednie wspomaganie wibracyjne lub inne środki wspomagające płynięcie. Dla produktów krytycznych istotne są ponadto szczelność armatury, przydatność do czyszczenia na mokro lub na sucho, jakość powierzchni oraz możliwe koncepcje WIP lub CIP.
Mieszalniki kontenerowe grawitacyjne nie należą do programu produkcyjnego spółki amixon GmbH. amixon® oferuje dla procesów mieszania opartych na kontenerach trzy różne koncepcje: mieszalnik beczkowy EM do beczek znormalizowanych, klasyczny mieszalnik kontenerowy COM, w którym sam kontener sypki służy jako komora mieszania, oraz mieszalnik stożkowy AM, który jest napełniany i ponownie opróżniany za pomocą standardowych kontenerów sypkich. Systemy te różnią się przede wszystkim wielkością wsadu, zasadą mieszania, hermetyzacją produktu, nakładem na czyszczenie oraz możliwością czasowego rozdzielenia poszczególnych etapów pracy w produkcji.
Mieszalnik beczkowy EM jest zaprojektowany do pracy z beczkami znormalizowanymi. Napełnia się on samoczynnie zawartością podłączonej beczki i przetwarza wsady do wielkości znormalizowanej beczki 200-litrowej. System nadaje się szczególnie do małych i średnich wsadów, gdy surowce są już dostarczane w beczkach lub gdy wielkość wsadu ma być celowo ograniczona do objętości beczki. Szczególną mocną stroną mieszalnika beczkowego jest jego zwarta i prosta integracja z procesami opartymi na beczkach. Jego ograniczenie leży jednocześnie w maksymalnej wielkości wsadu: dla większych ilości, wysokich wydajności lub logistyki produkcji opartej na IBC zwykle korzystniejsza jest inna koncepcja mieszania.
Klasyczny mieszalnik kontenerowy COM pracuje z kontenerem sypkim jako naczyniem mieszającym. Kontener jest pozycjonowany na stacji mieszania i otwierany. Następnie dynamicznie pracujące spiralne narzędzie mieszające wjeżdża od góry w usypany proszek. Podczas procesu mieszania wytwarza ono celowe, trójwymiarowe przemieszanie produktu. Po zakończeniu pracy mieszania narzędzie mieszające w trybie rewersyjnym powoli ponownie wyjeżdża z mieszanego produktu. Gotowa wymieszana szarża pozostaje w tym samym kontenerze i może być bezpośrednio transportowana dalej, magazynowana pośrednio, napełniana do opakowań lub kierowana do kolejnego etapu procesu.
Istotna zaleta koncepcji COM polega na tym, że kontener towarzyszy drodze produktu przez całą produkcję. Surowce mogą być przygotowywane w kontenerze, mieszanina powstaje w tym samym zbiorniku, a także transport gotowego produktu odbywa się bez ponownego przesypywania. Dzięki temu odpadają dodatkowe punkty przekazania. Mniej przekazań zmniejsza ryzyko strat produktu, uwalniania pyłu, zanieczyszczenia krzyżowego i rozsegregowania. Ponadto zużyty kontener może być czyszczony lub kolejny kontener przygotowywany z surowcami, podczas gdy na stacji mieszania przetwarzany jest już następny wsad.
Dzięki aktywnemu spiralnemu narzędziu mieszającemu mieszalnik kontenerowy COM nie jest ograniczony do czystych mieszanin grawitacyjnych. Może on wytwarzać określony strumień produktu i dzięki temu nadaje się także do bardziej wymagających zadań mieszania. Składniki o różnych gęstościach nasypowych, różnych wielkościach cząstek lub niskich udziałach dozowania mogą być rozprowadzane bardziej celowo niż w czystym mieszalniku zataczającym lub grawitacyjnym. Także ciecze lub składniki wilgotne mogą zasadniczo być wprowadzane do mieszanego produktu, o ile zachowanie produktu, czas mieszania i prowadzenie procesu są do tego dostosowane.
Szczególna cecha konstrukcyjna COM polega jednak na tym, że narzędzie mieszające musi zanurzać się w kontenerze od góry. Dlatego kontener potrzebuje dużej otwartej powierzchni przekroju. Przy produktach niekrytycznych, niepylących, nietoksycznych i neutralnych zapachowo jest to w wielu przypadkach dobrze kontrolowalne. Przy proszkach pylących, szkodliwych dla zdrowia, krytycznych pod względem alergenów lub silnie działających ten punkt styku jest bardziej wymagający. Przy wjeżdżaniu, a zwłaszcza przy wyjeżdżaniu narzędzia mieszającego może dochodzić do uwalniania pyłu. Dla takich produktów lepiej nadaje się często system zamknięty ze standardowymi IBC i pyłoszczelnymi stacjami dokującymi.
Trzecią koncepcją jest mieszalnik stożkowy amixon® AM, który jest napełniany i ponownie opróżniany za pomocą standardowych kontenerów sypkich. Inaczej niż w COM, IBC nie jest tutaj komorą mieszania. Służy on jako zbiornik zasilający, transportowy i odbiorczy. Właściwy proces mieszania odbywa się w trwale zainstalowanym mieszalniku stożkowym. Standardowy kontener napełniony surowcami jest dokowany do króćca napełniającego mieszalnika. Po otwarciu armatury materiał sypki spływa do komory mieszania. Następnie armatura napełniająca zamyka się, kontener jest odłączany i rozpoczyna się proces mieszania. Po zakończeniu czasu mieszania pod mieszalnikiem pozycjonowany jest pusty IBC i napełniany gotowym produktem.
Koncepcja ta łączy zalety logistyczne znormalizowanych IBC z wysoką elastycznością procesową stacjonarnego mieszalnika precyzyjnego. Mieszalnik stożkowy może być zaprojektowany pod złożone receptury, różne właściwości cząstek, wysokie wymagania co do jednorodności oraz, w razie potrzeby, dodawanie cieczy. Jednocześnie surowce i gotowy produkt pozostają poza procesem mieszania w zamkniętych, transportowalnych zbiornikach. Dla produktów pylących, toksycznych, o intensywnym zapachu, krytycznych pod względem alergenów lub wysokowartościowych może to być szczególnie korzystne. Przekazania między kontenerem a mieszalnikiem można zabezpieczyć pyłoszczelnymi stacjami dokującymi, odpowiednią armaturą zamykającą, wagami, wspomaganiem wibracyjnym, filtrami i dalej idącą techniką hermetyzacji.
Istotną zaletą mieszalnika stożkowego z logistyką standardowych IBC jest czasowe i przestrzenne rozdzielenie poszczególnych etapów produkcji. Surowce mogą być zestawiane i ważone w kontenerze, podczas gdy mieszalnik jest jeszcze czyszczony lub przetwarza poprzednie zlecenie. Podczas gdy gotowa wymieszana szarża jest już napełniana do opakowań lub transportowana dalej, mieszalnik może już przetwarzać kolejny wsad. Dozowanie wsadu, mieszanie, opróżnianie, napełnianie do opakowań, czyszczenie mieszalnika, czyszczenie kontenera i czyszczenie maszyn następczych nie muszą więc odbywać się kolejno po sobie. Zwłaszcza przy częstych zmianach produktu i dużej liczbie różnych receptur można zredukować czasy oczekiwania i poprawić wydajność produkcji.
Mieszalnik stożkowy AM może przy ograniczonej wysokości pomieszczenia być wykonany z systemem podnoszenia i opuszczania. W klasycznej instalacji mieszającej opartej na kontenerach zwykle wymagane byłyby trzy poziomy: poziom dla napełnionego kontenera zasilającego nad mieszalnikiem, poziom mieszalnika oraz poziom dla kontenera odbiorczego pod mieszalnikiem. Wymagana wysokość budynku wynika z wysokości obu kontenerów oraz znajdującej się między nimi komory mieszania. Dzięki systemowi podnoszenia i opuszczania mieszalnik może być obniżany na czas napełniania. Kontener zasilający jest ustawiany na króćcu napełniającym i opróżniany. Następnie kontener jest usuwany, mieszalnik jedzie do góry, a pod wylotem ustawiany jest pusty kontener odbiorczy. W ten sposób instalację mieszającą opartą na kontenerach można zrealizować także wtedy, gdy wysokość pomieszczenia nie wystarcza na trójpoziomową instalację ustawioną jedna nad drugą.
Przy dobrze sypkich produktach mieszalnik stożkowy może być opróżniany w dużej mierze bezresztkowo. Zmniejsza to straty produktu, ułatwia zmiany receptury i zmniejsza ryzyko, że ilości resztkowe poprzedniego wsadu wpłyną na kolejną mieszaninę. Zależnie od wymagań procesowych mieszalnik i kontener mogą być ważone. Gotowa mieszanina może być wyładowywana nie tylko do standardowych kontenerów, lecz również do big bagów, worków lub bezpośrednio do maszyny napełniającej. Króćce wlotowe i wylotowe mogą być wyposażone w urządzenia dokujące, rozwiązania hermetyzacji lub zestawy przyłączeniowe do big bagów.
Także czyszczenie jest istotnym kryterium wyboru. W stacjonarnym mieszalniku stożkowym duże drzwi inspekcyjne umożliwiają dobry dostęp do komory mieszania. Zależnie od produktu i koncepcji higieny instalacja może być czyszczona na sucho lub na mokro. Podczas gdy instalacja mieszająca jest czyszczona, inne kontenery mogą być napełniane, czyszczone, przygotowywane lub przewożone do napełniania. Rozdzielenie czasu mieszania, czasu czyszczenia i logistyki kontenerów zwiększa elastyczność całej instalacji.
Mieszalnik beczkowy EM nadaje się więc przede wszystkim do wsadów opartych na beczkach do około 200 litrów. Mieszalnik kontenerowy COM jest korzystny, gdy kontener sypki ma być jednocześnie zbiornikiem mieszającym, magazynowym i transportowym, a produkt jest niekrytyczny pod względem pylenia, zapachu i zagrożenia. Mieszalnik stożkowy AM z załadunkiem i opróżnianiem za pomocą standardowych IBC nadaje się szczególnie do większych lub bardziej wymagających zadań mieszania, do receptur o wysokich wymaganiach co do jakości mieszania, do produktów pylących lub szkodliwych dla zdrowia oraz do zakładów produkcyjnych, które chcą elastycznie organizować dozowanie wsadu, mieszanie, napełnianie i czyszczenie.