Как спланировать масштабирование из испытательного центра в производство для смесей специй, сохранив время и качество смешивания?
Цель масштабирования смесей специй состоит в том, чтобы обеспечить достигнутую в лаборатории или испытательном центре однородность, время смешивания и щадящую обработку ингредиентов также при заметно больших количествах сыпучего материала, установках и технологических средах.
Смеси специй при этом особенно сложны, поскольку содержат компоненты с сильно различающимися размерами частиц и насыпными плотностями. Примерами являются крупный перец и тонкий порошок паприки, тяжёлая соль и лёгкие травы. К этому добавляются различные свойства текучести и когезия, микрокомпоненты с очень малым количеством внесения, такие как ароматизаторы или витамины, а также чувствительные к влаге и жиру компоненты, такие как ароматические и эфирные масла. Чисто объёмное масштабирование 1:1 здесь часто ведёт к отклоняющимся органолептическим свойствам и должно быть заменено систематическим планированием масштабирования.
Перед каждым масштабированием характеризуются свойства сыпучего материала отдельных компонентов и конечной смеси. К ним относятся, например, распределение частиц по размерам, насыпная плотность и плотность после утряски, угол естественного откоса и трение о стенку, остаточная влага и активность воды, содержание жира или масла и склонность к налипанию. Параллельно документируется установленный процесс смешивания в испытательном центре, поскольку он служит референсом для производственного масштаба. При этом документируются, в частности, тип смесителя, степень наполнения, частота вращения, время смешивания, внесение энергии и последовательность подачи.
Для переносимого поведения смешивания решающими являются три критерия подобия:
- геометрическое подобие (одинаковый конструктивный принцип, сопоставимые соотношения длины к диаметру, схожая геометрия инструмента);
- кинематическое подобие (сохранение характеристики движения смесительного слоя, например через постоянное число Фруда для описания соотношения центробежных сил к силе тяжести);
- динамическое подобие (сопоставимая нагрузка и внесение энергии на частицу, чтобы избежать разрушения, истирания и потери аромата).
При этом частоту вращения производственного смесителя нужно адаптировать к большему радиусу, чтобы сохранялся режим смешивания, а удельное внесение энергии оставалось в том же диапазоне. Число Фруда играет при этом роль только для смесительных систем с горизонтально установленной мешалкой.
При масштабировании производственный смеситель должен быть по возможности геометрически схож с агрегатом испытательного центра, в идеале с тем же принципом смешивания в более крупном типоразмере. Для смесей специй зарекомендовали себя следующие типы смесителей:
- вертикальные спиральные смесители для трёхмерного перемешивания при низкой окружной скорости,
- конусные смесители с центральным валом мешалки для широкого диапазона степени наполнения,
- плужные или лопастные смесители для высокого качества смешивания при больших различиях плотности,
- конусно-шнековые смесители с планетарно вращающимся шнеком для особенно щадящей обработки чувствительных листьев трав,
- ленточные смесители (Ribbon Blender) для больших загрузок с более длительным временем смешивания, а также
- двухвальные смесители для короткого времени смешивания при большом размере загрузки.
Переполненные смесители создают мёртвые зоны и удлиняют время смешивания, тогда как слишком низкая степень наполнения снижает эффективность режущего ротора, что может негативно сказаться на однородности. Одновременно в большом масштабе меняются подпорное давление и соотношение поверхности к объёму, что влияет на условия трения и образование налёта, особенно у маслосодержащих смесей.
Чувствительные компоненты, такие как листья трав или сублимационно высушенные кусочки овощей и фруктов, чувствительно реагируют на высокую механическую нагрузку. Если окружная скорость при масштабировании возрастает слишком сильно, увеличиваются истирание и разрушение.
Качество смешивания следует фиксировать количественно, типично через коэффициент вариации ведущего или трассерного компонента. В испытательном центре в определённые моменты времени отбираются пробы, чтобы получить кривую время смешивания-качество смешивания и определить оптимальную точку смешивания. В производственном масштабе дополнительно проводится многоточечный отбор проб из разных зон смесителя, чтобы получить репрезентативные данные об однородности и избежать перемешивания. Ведь слишком длительное время смешивания может, напротив, способствовать сегрегации из-за расслоения или центробежных сил.
Столь же важны ведение рецептуры, порядок подачи и стратегия дозирования. Микрокомпоненты часто предварительно разбавляются через премиксы с частью основного компонента, чтобы избежать ошибок дозирования и локальных перенасыщений. Порядок подачи оптимизируется так, чтобы очень тяжёлые или очень тонкие компоненты не отделялись преждевременно. Масляные и ароматические компоненты предпочтительно дозируются через распылительные или инжекционные системы, чтобы можно было контролировать размер капель, смачивание и образование комков. Одновременно целенаправленно управляется внесение сдвига, чтобы достичь хорошего распределения при сохранённой структуре.
Многие отклонения качества возникают лишь на последующих этапах процесса. Высоту падения следует поэтому минимизировать, а транспортные пути держать максимально короткими. Кроме того, следует выбирать принципы транспортирования, не способствующие сегрегации. В идеале выгрузка из силоса и бункера рассчитывается на массовый поток. Ведь воздушные потоки могут избирательно переносить мелкие частицы и тем самым нарушать однородность.
В производственном масштабе также следует контролировать удельное внесение энергии. Повышенное внесение энергии ведёт к нагреву и может ухудшать ароматические масла и летучие компоненты. Может происходить конденсация в упакованном конечном продукте.
Ключевые принципы можно обобщить следующим образом:
- выбирать геометрически схожий тип смесителя от испытательного центра к производству,
- по возможности сохранять режим смешивания через подходящие показатели,
- держать степень наполнения постоянной,
- количественно подтверждать качество смешивания,
- обеспечивать щажение продукта через ограниченную окружную скорость и контролируемое внесение энергии,
- технологически надёжно вводить микрокомпоненты и жидкие добавки,
- проверять последующие процессы на риски сегрегации,
- подтверждать масштабирование через несколько ступеней валидации.
Так amixon® планирует программу испытаний и масштабирования в испытательном центре
Сначала точно определяются цели эксплуатирующей организации. К ним относятся требуемое качество смешивания, например целевой RSD, степень опорожнения, требования к щажению продукта, такие как целостность частиц и ограниченное внесение тепла, а также планируемый диапазон размеров загрузок и время такта. Специалисты amixon® переводят эти критерии в структурированную программу испытаний на подходящей испытательной установке. Типоразмер выбирается так, чтобы он соответствовал доступному количеству продукта.
Испытания следуют систематическому варьированию параметров. Варьируются релевантные для масштабирования величины: время смешивания, окружная скорость мешалок в диапазоне примерно от 0,8 до 3,5 м/с, степень наполнения, а также — при необходимости — скорость дозирования и способ подачи жидкости. Жидкости можно вводить через копья или двухкомпонентные форсунки с режущим ротором или без него. Для каждой точки испытания отбираются пробы и определяется качество смешивания. Степени опорожнения подтверждаются гравиметрически. Основой является конгруэнтность смесительных систем amixon® и их частота перемешивания.
Объём подачи I_V описывается через геометрию и рабочие данные. Он вычисляется по формуле I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D и d обозначают наружный и внутренний диаметр спирали, Φ — степень наполнения относительно полезного объёма, S — шаг спирали, n — частоту вращения в оборотах в секунду, а ζ — специфичный для инструмента и продукта коэффициент скорости. Из этого видно, что весь объём смесительной камеры уже после нескольких оборотов полностью протекает и перемещается.
Определённые параметры переносятся на производственный масштаб. Смесители испытательного центра и производственные смесители работают по одному и тому же принципу смешивания — тотальной циркуляции SinConvex®. Масштабирование ведётся через формулу перемешивания, то есть через объёмный расход, подаваемый спиральным смесительным инструментом, и производную от него частоту перемешивания, а не только через частоту вращения. Сетка типоразмеров с шагом 100 литров до 50.000 литров — у смесительного силоса Gyraton® с шагом 1 м³ до примерно 100 м³ — позволяет точный расчёт на желаемый целевой размер загрузки без нарушения подобия. К выбору доступны вертикальный одновальный смеситель (тип VM), вертикальный двухвальный смеситель (тип HM), конусный смеситель (тип AM), смеситель KoneSlid® (тип KS), шаровой смеситель SpherHelics® (тип SH), смесительный силос Gyraton® (тип GM) и конусный непрерывный смеситель (тип AMK). Так amixon® консультирует заказчика непредвзято, честно и ориентированно на применение.
Документация испытаний служит надёжной основой для инвестиции. Испытания проводятся, оцениваются и полностью документируются совместно. Отчёт об испытаниях подтверждает параметры процесса в реальных условиях и называет оптимальный аппарат. Эти результаты напрямую входят в спецификацию установки (URS). Целевой RSD, степени опорожнения и время такта определяются с договорной надёжностью. Технические и экономические риски тем самым проясняются до инвестиции, а не только в ходе текущей эксплуатации.
Для чая, трав и специй amixon® смешивает особенно щадяще. Тихоходный режим сохраняет хрупкие листья и чувствительные частицы. Смесительную камеру можно опорожнить практически полностью, очистка происходит быстро. Частая смена рецептур благодаря этому технологически надёжно возможна. Gyraton® GM гомогенизирует специи, чай и кофе в крупных загрузках до 100 м³.
Производство в Падерборне является основой качества amixon®. Разработка и производство происходят исключительно на заводе в Падерборне с высокой глубиной производства. Все компоненты происходят из квалифицированных источников в Германии. Как сертифицированное сварочное предприятие с европейскими, японскими, корейскими и американскими квалификациями, amixon® конструирует каждый аппарат как уникальное изделие на основе URS эксплуатирующей организации. Контроль качества остаётся без пробелов в собственном доме, каждая спецификация подтверждается вплоть до уровня деталей. Этот суверенитет производства одновременно обеспечивает долгосрочное снабжение. Каждая деталь может быть воспроизводимо изготовлена также спустя десятилетия.