Jak zaplanować skalowanie z centrum prób do produkcji dla mieszanek przypraw, aby zachować czasy i jakość mieszania?
Celem skalowania mieszanek przypraw jest zapewnienie osiągniętej w laboratorium lub centrum prób jednorodności, czasów mieszania i łagodnego obchodzenia się ze składnikami również przy znacznie większych ilościach materiału sypkiego, instalacjach i otoczeniach procesowych.
Mieszanki przypraw są przy tym szczególnie wymagające, ponieważ zawierają komponenty o silnie różnych wielkościach cząstek i gęstościach nasypowych. Przykładami są grubo mielony pieprz i drobny proszek paprykowy, ciężka sól i lekkie zioła. Dochodzą do tego różne właściwości przepływowe i kohezja, mikroskładniki o bardzo małych ilościach zastosowania, takie jak aromaty lub witaminy, oraz składniki wrażliwe na wilgoć i tłuszcz, takie jak olejki aromatyczne i eteryczne. Czysto objętościowe skalowanie 1:1 prowadzi tu często do odmiennej sensoryki i musi być zastąpione systematycznym planowaniem skalowania.
Przed każdym skalowaniem charakteryzuje się właściwości materiału sypkiego poszczególnych komponentów i mieszaniny końcowej. Należą do nich na przykład rozkład wielkości cząstek, gęstość nasypowa i utrzęsiona, kąt nasypu i tarcie o ścianę, wilgotność resztkowa i aktywność wody, zawartość tłuszczu lub oleju oraz skłonność do zapiekania. Równolegle dokumentuje się ustalony proces mieszania w centrum prób, ponieważ stanowi on odniesienie dla skali produkcyjnej. Dokumentowane są przy tym między innymi typ mieszalnika, stopień napełnienia, obroty, czas mieszania, wprowadzanie energii i kolejność dodawania.
Dla przenoszalnego zachowania przy mieszaniu decydujące są trzy kryteria podobieństwa:
- podobieństwo geometryczne (ta sama zasada konstrukcyjna, porównywalne stosunki długości do średnicy, podobna geometria narzędzia)
- podobieństwo kinematyczne (zachowanie charakterystyki ruchu złoża mieszania, na przykład przez stałą liczbę Froude'a opisującą stosunek sił odśrodkowych do siły grawitacji)
- podobieństwo dynamiczne (porównywalne obciążenie i wprowadzanie energii na cząstkę, aby uniknąć pękania, ścierania i utraty aromatu)
Obroty w mieszalniku produkcyjnym muszą być przy tym dostosowane do większego promienia, aby reżim mieszania został zachowany, a jednostkowe wprowadzanie energii pozostawało w tym samym zakresie. Liczba Froude'a odgrywa przy tym rolę tylko dla systemów mieszania z poziomo łożyskowanym mieszadłem.
Przy skalowaniu mieszalnik produkcyjny powinien być geometrycznie możliwie podobny do agregatu z centrum prób, najlepiej z tą samą zasadą mieszania w większej wielkości. Dla mieszanek przypraw ugruntowały się następujące sprawdzone typy mieszalników:
- pionowe mieszalniki spiralne do trójwymiarowego wymieszania przy niskiej prędkości obwodowej,
- mieszalniki stożkowe z centralnym wałem mieszającym do szerokiego zakresu stopnia napełnienia,
- mieszalniki lemieszowe lub łopatkowe do wysokiej jakości mieszania przy dużych różnicach gęstości,
- stożkowe mieszalniki ślimakowe ze ślimakiem obiegającym planetarnie do szczególnie łagodnego obchodzenia się z wrażliwymi listkami ziół,
- mieszalniki wstęgowe (Ribbon Blender) do dużych wsadów z dłuższymi czasami mieszania oraz
- mieszalniki dwuwałowe do krótkich czasów mieszania przy dużej wielkości wsadu.
Przepełnione mieszalniki tworzą strefy martwe i wydłużają czas mieszania, natomiast zbyt niskie stopnie napełnienia zmniejszają sprawność rotora tnącego, co może negatywnie wpływać na jednorodność. Jednocześnie w dużej skali zmieniają się ciśnienie spiętrzenia i stosunek powierzchni do objętości, co wpływa na warunki tarcia i tworzenie się osadów, zwłaszcza przy mieszaninach zawierających olej.
Wrażliwe komponenty, takie jak listki ziół lub liofilizowane kawałki warzyw i owoców, reagują wrażliwie na wysokie obciążenie mechaniczne. Jeżeli prędkość obwodowa przy skalowaniu wzrośnie zbyt silnie, rosną ścieranie i pękanie.
Jakość mieszania powinna być ujmowana ilościowo, typowo przez współczynnik zmienności składnika wiodącego lub znacznikowego. W centrum prób pobiera się próbki w zdefiniowanych momentach, aby uzyskać krzywą czas mieszania – jakość mieszania i wyznaczyć optymalny punkt mieszania. W skali produkcyjnej przeprowadza się dodatkowo wielopunktowe pobieranie próbek z różnych stref mieszalnika, aby uzyskać reprezentatywne dane o jednorodności i uniknąć nadmiernego mieszania. Zbyt długie czasy mieszania mogą bowiem z kolei sprzyjać rozdzieleniu się mieszaniny przez segregację lub siły odśrodkowe.
Równie ważne są prowadzenie receptury, kolejność dodawania i strategia dozowania. Mikroskładniki są często wstępnie rozcieńczane premiksami z częścią jednego ze składników głównych, aby uniknąć błędów dozowania i miejscowych przestężeń. Kolejność dodawania jest optymalizowana tak, aby komponenty bardzo ciężkie lub bardzo drobne nie separowały się wcześnie. Komponenty olejowe i aromatyczne są dozowane najlepiej przez układy natryskowe lub wtryskowe, aby móc kontrolować wielkość kropel, zwilżanie i powstawanie grudek. Jednocześnie celowo steruje się wprowadzaniem ścinania, aby uzyskać dobre rozprowadzenie przy zachowanej strukturze.
Wiele odchyleń jakości powstaje dopiero w następczych etapach procesu. Wysokości spadania powinny być dlatego minimalizowane, a drogi transportu utrzymywane możliwie krótkie. Ponadto należy wybierać zasady transportu, które nie sprzyjają segregacji. Najlepiej, gdy wyładunek z silosu i leja jest projektowany na przepływ masowy. Strumienie powietrza mogą bowiem selektywnie transportować drobne cząstki i tym samym zakłócać jednorodność.
W skali produkcyjnej należy ponadto nadzorować jednostkowe wprowadzanie energii. Podwyższone wprowadzanie energii prowadzi do ogrzania i może pogarszać olejki aromatyczne oraz komponenty lotne. Może dojść do kondensacji w zapakowanym produkcie końcowym.
Zasady podstawowe można podsumować następująco:
- wybrać geometrycznie podobny typ mieszalnika od centrum prób do produkcji,
- zachować możliwie reżim mieszania przez odpowiednie liczby charakterystyczne,
- utrzymywać stały stopień napełnienia,
- wykazać jakość mieszania ilościowo,
- zapewnić łagodność wobec produktu przez ograniczoną prędkość obwodową i kontrolowane wprowadzanie energii,
- wprowadzać mikroskładniki i dodatki ciekłe w sposób pewny procesowo,
- sprawdzić procesy końcowe pod kątem ryzyk segregacji,
- zabezpieczyć skalowanie przez kilka stopni walidacji.
W ten sposób amixon® planuje program prób i skalowania w centrum prób
Najpierw precyzyjnie definiuje się cele użytkownika. Należą do nich wymagana jakość mieszania, na przykład docelowe RSD, stopień opróżniania, wymagania dotyczące łagodności wobec produktu, takie jak integralność cząstek i ograniczone wprowadzanie ciepła, oraz planowany zakres wielkości wsadów i czas taktu. Ekspertki i eksperci amixon® przekładają te kryteria na strukturalny program prób na odpowiedniej instalacji próbnej. Wielkość jest wybierana tak, aby odpowiadała dostępnej ilości produktu.
Próby przebiegają według systematycznej zmiany parametrów. Zmieniane są wielkości istotne dla skalowania: czas mieszania, prędkość obwodowa mieszadeł w zakresie około 0,8 do 3,5 m/s, stopień napełnienia oraz – jeżeli jest to istotne – szybkość dozowania i rodzaj dozowania cieczy. Ciecze mogą być wprowadzane lancami lub dyszami dwuczynnikowymi, z rotorem tnącym lub bez. Dla każdego punktu próby pobierane są próbki i wyznaczana jest jakość mieszania. Stopnie opróżniania są weryfikowane grawimetrycznie. Podstawą jest zgodność systemów mieszania amixon® i ich częstotliwość przemieszczania.
Objętość transportowa I_V opisywana jest przez geometrię i dane eksploatacyjne. Wynika ona z I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D i d oznaczają zewnętrzną i wewnętrzną średnicę spirali, Φ stopień napełnienia odniesiony do objętości użytkowej, S skok spirali, n częstotliwość obrotów w obrotach na sekundę, a ζ współczynnik prędkości zależny od narzędzia i produktu. Wynika z tego, że cała objętość komory mieszania jest już po niewielu obrotach całkowicie przepływana i nie pozostaje w bezruchu.
Ustalone parametry są przenoszone na skalę produkcyjną. Mieszalniki centrum prób i produkcyjne pracują z tą samą zasadą mieszania, czyli pełnym przemieszczaniem objętości SinConvex®. Skalowanie odbywa się poprzez formułę przemieszczania, czyli poprzez strumień objętościowy transportowany przez wstęgowe narzędzie mieszające i wynikającą z niego częstotliwość przemieszczania, a nie poprzez same obroty. Raster wielkości w krokach co 100 litrów do 50.000 litrów – przy silosie mieszającym Gyraton® w krokach co 1 m³ do około 100 m³ – umożliwia dokładny dobór do pożądanej docelowej wielkości wsadu bez naruszenia podobieństwa. Do wyboru są pionowe mieszalniki jednowałowe (typ VM), pionowe mieszalniki dwuwałowe (typ HM), mieszalniki stożkowe (typ AM), mieszalniki KoneSlid® (typ KS), mieszalniki kuliste SpherHelics® (typ SH), silos mieszający Gyraton® (typ GM) oraz stożkowy mieszalnik ciągły (typ AMK). amixon® doradza w ten sposób klientowi bez uprzedzeń co do wyniku, uczciwie i z myślą o zastosowaniu.
Dokumentacja prób służy jako wiarygodna podstawa inwestycji. Testy są prowadzone, analizowane i w pełni dokumentowane wspólnie. Raport z prób potwierdza parametry procesu w realnych warunkach i wskazuje optymalny aparat. Wyniki te przechodzą bezpośrednio do specyfikacji instalacji (URS). Docelowe RSD, stopnie opróżniania i czasy taktu są definiowane w sposób wiążący umownie. Ryzyka techniczne i ekonomiczne są tym samym wyjaśniane przed inwestycją, a nie dopiero w trakcie eksploatacji.
Herbatę, zioła i przyprawy amixon® miesza szczególnie łagodnie. Wolnoobrotowa praca zachowuje kruche listki i wrażliwe cząstki. Komorę mieszania można opróżnić niemal całkowicie, a czyszczenie przebiega szybko. Częste zmiany receptur są dzięki temu możliwe w sposób pewny procesowo. Gyraton® GM homogenizuje przyprawy, herbatę i kawę w dużych wsadach do 100 m³.
Produkcja w Paderborn jest fundamentem jakości amixon®. Rozwój i produkcja odbywają się wyłącznie w zakładzie w Paderborn przy dużej głębokości produkcji. Wszystkie komponenty pochodzą z kwalifikowanych źródeł w Niemczech. Jako certyfikowany zakład spawalniczy z kwalifikacjami europejskimi, japońskimi, koreańskimi i amerykańskimi amixon® konstruuje każdy aparat jako egzemplarz jednostkowy na podstawie URS użytkownika. Kontrola jakości pozostaje w pełni we własnym domu, a każda specyfikacja jest udokumentowana aż do poziomu elementu. Ta samodzielność produkcyjna zabezpiecza jednocześnie długoterminowe zaopatrzenie. Każdy element daje się odtworzyć również dziesięciolecia później.