Какие концепции порошковых смесителей хорошо работают со стандартизированными нормфасами для небольших партий порошка?
Для небольших партий порошка в стандартизированных нормфасах прежде всего хорошо работают бочковые и контейнерные смесители по гравитационному принципу, если порошки хорошо текучи, в значительной степени свободны от агломератов и достаточно схожи по размеру частиц, форме частиц, насыпной плотности и текучести. В научно-исследовательской работе особенно распространены вращающиеся бочковые смесители, кувыркающиеся смесители и 3D-контейнерные смесители. При этом закрытая бочка помещается в надёжное зажимное приспособление и вращается, переворачивается или движется наложенным движением как цельная смесительная ёмкость. Поскольку мешательные инструменты не погружаются в продуктовое пространство, структура зерна обрабатывается сравнительно бережно. При этом продукт остаётся в оригинальной таре, благодаря чему ограничиваются потери при пересыпании, контактирующие с продуктом поверхности установки и затраты на очистку рамы смесителя. Барабанные смесители также доступны для тары меньшего размера; распространённые на рынке системы охватывают, например, бочки объёмом примерно до 220 литров, а также малые лабораторные ёмкости.
Чисто ротационные бочковые смесители имеют особенно простую конструкцию. Бочка закрепляется на кожухе или по краю бочки с помощью зажимных лент, формованных поддонов, регулируемых зажимных рычагов или сменных адаптеров и приводится в движение вокруг определённой оси. Кувыркающиеся и 3D-смесители расширяют чисто вращательное движение дополнительными поворотными или инверсионными движениями. Это может улучшать обмен между зонами продукта. Для чувствительных гранул и хорошо текучих порошковых смесей эти концепции часто подходят, поскольку механическая нагрузка остаётся низкой и не требуется очищать контактирующие с продуктом мешательные инструменты.
Однако эти преимущества не должны скрывать того, что гравитационные смесители лишь ограниченно подходят для многих требовательных порошковых рецептур. Принцип смешивания основан на свободном движении отдельных частиц и на повторяющихся ссыпающих и лавинообразных движениях. Сильно когезивные порошки при этом могут перемещаться как связанные агломераты или «глыбы», не будучи достаточно тонко распределёнными. Для таких продуктов введённой энергии сдвига часто недостаточно, чтобы надёжно разрушить агломераты; в таком случае может потребоваться динамический смеситель с инструментами и определённым сдвиговым воздействием. С другой стороны, гравитационные смесители при очень хорошо текучих компонентах могут быть склонны к сегрегации. Различия в размере частиц, насыпной плотности, форме или свойствах поверхности способствуют сегрегации во время смешивания и особенно при выгрузке.
Поэтому для рецептур с большими различиями между компонентами, с трудно дозируемыми малыми компонентами, с сильно когезивными порошками, с требуемым вводом жидкости или с высокими требованиями к однородности часто лучшим решением являются пристыковываемые лабораторные смесительные головки. Бочка при этом остаётся ёмкостью для продукта, тогда как внешняя смесительная головка пыленепроницаемо пристыковывается сверху. В качестве мешательных инструментов применяются, например, спиральные, пропеллерные, якорные или диспергирующие инструменты. Такая система может вводить существенно более высокое и более целенаправленное сдвиговое воздействие, чем гравитационный смеситель. Поэтому она подходит для когезивных твёрдых веществ, задач увлажнения, суспензий и жидкостей с суспендированными твёрдыми частицами. Для жидких или пастообразных систем выбор инструмента необходимо ориентировать на текучесть соответствующей среды.
Донные станции стыковки и опорожнения представляют собой ещё одну возможность, если продукты из бочек необходимо дозировать, гомогенизировать или перерабатывать как суспензию. Бочка устанавливается на станцию стыковки и соединяется через подходящую арматуру опорожнения. При этом в ёмкость сверху или снизу может вводиться мешалка для взмучивания осадка или гомогенизации суспензии твёрдых частиц перед выгрузкой. Такие решения особенно актуальны, когда продукт седиментирует при хранении или когда твёрдые частицы необходимо снова равномерно распределить в жидкости перед фасовкой.
Диссольверные и роторно-статорные системы бочкового исполнения подходят не столько для сухого смешивания порошков, сколько для получения дисперсий, эмульсий и суспензий. Они создают высокие локальные сдвиговые усилия и могут тонко диспергировать пигменты, агломераты твёрдых частиц или системы жидкость–твёрдое вещество. Типичные применения — лаки, покрытия, косметические составы, клеи и химико-технические продукты. Для пастообразных составов можно использовать компактные планетарные смесители или двухвальные системы, в которых инструменты движутся как вокруг собственной оси, так и вдоль стенки ёмкости. Такие системы подходят для пастообразных сред, клеёв или герметиков; понятие вязкости в этом контексте относится к жидкой или пастообразной непрерывной фазе, а не к сухим порошкам.
Для безопасной переработки бочек разного размера существенное значение имеет подходящая фиксация. Стальные бочки, как правило, можно закреплять с помощью прочных зажимных или центрирующих систем. Пластиковые бочки и хоббоки, напротив, требуют распределения нагрузки по поверхности, например с помощью широких зажимных ремней, подогнанных формованных поддонов или корзинных адаптеров, чтобы они не деформировались под динамической нагрузкой. Малую лабораторную тару можно стабильно закреплять с помощью переходных адаптеров. Рампы разгона и торможения следует настраивать так, чтобы тара, запорная арматура и продукт не подвергались излишней динамической нагрузке. Дополнительно требуются надёжная фиксация крышки, проверка целостности бочки, а для пылящих продуктов — подходящие защитные меры от непреднамеренного высвобождения.
Смешивание в оригинальной бочке даёт в научно-исследовательской работе явные организационные преимущества. Бочка может служить смесительной, складской и транспортной тарой. Благодаря этому сокращается количество перегрузок продукта, что может снижать потери и риск перекрёстного загрязнения. Кроме того, опытные партии можно быстро обрабатывать одну за другой, поскольку рама смесителя при закрытой таре не имеет контактирующих с продуктом внутренних поверхностей. Для токсичных, пылящих или содержащих растворители веществ особенно важна закрытая, механически безопасная система. Пригодность зажимного устройства бочки и всей установки для соответствующей зоны ATEX или определённого уровня контейнмента необходимо проверять отдельно.
Однако простой масштабный перенос от лабораторной бочки к производственному смесителю не является само собой разумеющимся. Переносимость зависит от принципа смешивания, геометрии ёмкости, степени наполнения, траектории движения, частоты вращения, свойств продукта и порядка дозирования. Такие показатели, как число Фруда, могут давать ориентир для вращающихся систем, но не заменяют испытания в релевантном масштабе. Именно потому, что степень сегрегации может изменяться в зависимости от размера тары, высоты падения, движения воздуха и геометрии выгрузки, однородность следует проверять как после смешивания, так и после транспортировки и опорожнения. Исследования показывают, что различия в свойствах частиц, и в особенности в размере частиц, могут существенно влиять на однородность и риск сегрегации.
Концепции смешивания в бочках и IBC от amixon®
Для небольших партий порошка в стандартизированных нормфасах amixon® с одновальным смесителем EM предлагает концепцию смешивания, которая сочетает преимущества бочковой логистики с динамичным, точно управляемым смесительным воздействием. Для более крупных партий и материальных потоков на базе IBC доступен контейнерный смеситель COM. Обе системы принципиально отличаются от гравитационных или кувыркающихся смесителей: тара не вращается и не переворачивается как закрытая ёмкость, а остаётся во время процесса вертикальной или в определённом наклонном положении. Гомогенизация происходит с помощью активно приводимого мешательного инструмента. Благодаря этому можно перерабатывать также продукты, которые лишь ограниченно подходят для чисто гравитационных смесительных систем, например когезивные порошки, влажные смеси твёрдых веществ, агломерированное сырьё или смеси с добавлением жидкости.
Одновальный смеситель amixon® EM рассчитан на малые партии для разработки, мелкосерийного производства и just-in-time. В зависимости от исполнения он охватывает размеры партий примерно от 5 до 200 литров и может загружаться и опорожняться со стандартизированными нормфасами или бочками с крышкой. Бочка подводится к смесителю ручной гидравлической тележкой и пыленепроницаемо стыкуется. Смеситель заполняется за счёт контролируемого поворотного движения; после завершения процесса смешивания гомогенизированный продукт можно тем же путём вернуть обратно в бочку. Таким образом бочка служит транспортной и приёмной тарой, тогда как собственно процесс смешивания происходит в смесительном пространстве amixon®.
Смесительное пространство EM можно наклонять для загрузки, опорожнения и интенсификации процесса. В наклонном положении вертикальное движение продукта мешательным инструментом накладывается на поперечное течение. Продукт транспортируется вверх в периферийной зоне, направляется вниз в центральной зоне и одновременно циркулирует в боковом направлении. Это трёхмерное течение способствует равномерной гомогенизации даже при малой степени наполнения. Степень наполнения в зависимости от продукта и исполнения может находиться в широком диапазоне примерно от 10 до 100 процентов полезного объёма. Интенсивность смешивания можно адаптировать: для особо бережных задач гомогенизации можно работать с низкой частотой вращения инструмента; при необходимости могут применяться режущие роторы или ножи HighShearBlade для целенаправленного разрушения агломератов и поддержки введения малых количеств действующих веществ или добавок.
EM особенно подходит для предварительных смесей и растираний. Такие этапы процесса важны, когда малые количества высококонцентрированных действующих веществ, витаминов, минеральных веществ или микроэлементов сначала необходимо предварительно смешать с подходящим носителем. Цель предварительного смешивания — полностью и тонко распределённо ввести малые компоненты в достаточно большую долю порошка-носителя. Полученную предварительную смесь затем можно вводить в более крупную конечную смесь. Такой подход актуален, например, для фармацевтических продуктов, нутрицевтиков, диетических смесей и детского питания. Требуемое качество смешивания и подходящую стратегию отбора проб необходимо подтверждать для каждой рецептуры.
Жидкости также можно контролируемо вводить в порошок в EM. Подходящее дозирование жидкости и при необходимости тонкораспыляющее устройство ввода позволяют максимально равномерно распределять малые количества жидкости в перемешиваемом порошке. Для надёжного расчёта необходимо учитывать смачиваемость, когезивность, исходную влажность, структуру частиц, скорость дозирования и возможную агломерацию. Для сильно когезивных порошков или продуктов с выраженными агломератами дополнительное интенсивное смешивание может поддерживать дезагломерацию. Как и во всех процессах смешивания порошков, фактическую пригодность следует подтверждать испытаниями с оригинальным продуктом.
Для более крупных партий можно применять контейнерный смеситель amixon® COM. При этом сам контейнер выполняет функцию смесительного пространства и остаётся вертикальным или слегка наклонённым во время процесса смешивания. Погружаемый сверху мешательный инструмент создаёт необходимое движение продукта. Таким образом смешивание происходит не за счёт переворачивания контейнера, а за счёт активно приводимой смесительной системы в закрытой ёмкости. amixon® описывает COM как контейнерный смеситель для высококачественных смешиваемых продуктов; в зависимости от исполнения он может эксплуатироваться со стандартизированными IBC и специальными ёмкостями Mixtainer®.
В COM можно применять мешательный инструмент SinConvex® и MultiPane®. Мешательный инструмент вводится сверху в газогерметично закрытый контейнер, гомогенизирует продукт и затем реверсивно выводится обратно. SinConvex® поддерживает интенсивное трёхмерное течение и хорошее управление продуктом вплоть до зон, близких к днищу и стенке. MultiPane® подходит для особо бережных процессов смешивания и может применяться, когда необходимо максимально сохранить чувствительные структуры частиц, гранулы или агломераты. Благодаря этому COM можно применять для сухих и влажных порошков, а также для продуктов с требовательными критериями однородности. Конкретная задача смешивания, достижимая однородность и подходящая степень наполнения при этом определяются испытаниями с продуктом.
Центральное преимущество обеих концепций состоит в объединении процесса смешивания и логистики тары. Количество перегрузок сокращается, благодаря чему можно ограничить потери продукта, выбросы пыли и интерфейсы для возможного перекрёстного загрязнения. Тару можно использовать для взвешивания, промежуточного хранения, внутреннего транспорта и приёма готового продукта. В EM продукт гомогенизируется в смесителе и затем возвращается в нормфас. В COM гомогенизация происходит непосредственно в контейнере. Такая организация процесса особенно выгодна для малых и часто меняющихся партий, для контрактных смесителей, а также для предприятий с частой сменой продукта или рецептуры.
Очищаемость является составной частью концепции установки. В EM смесительное пространство для очистки можно поворачивать в эргономически удобное положение. В COM для автоматической мокрой очистки мешательного инструмента можно пристыковывать Washtainer®. Для гигиенически требовательных применений смесительные системы могут выполняться с геометрией с минимальным количеством застойных зон, хорошо доступными контактирующими с продуктом поверхностями и подходящими функциями уплотнения и очистки. amixon® указывает для COM, среди прочего, устройства WIP с асептическими быстроразъёмными соединениями и пригодность для высоких гигиенических требований. Требуется ли сухая или мокрая очистка и как её необходимо валидировать, зависит от рецептуры, риска аллергенов или действующих веществ, адгезии продукта и производственных требований.
Программы смешивания можно задавать в ПЛК и выполнять воспроизводимо для каждой партии. К ним могут относиться время смешивания, частота вращения инструмента, фазы интенсивного смешивания, порядок добавления, дозирование жидкости и при необходимости температурные профили. Подключение к ERP-системе или системе управления производством (MES), а также регистрация через штрихкод или RFID может поддерживать полное сопоставление рецептуры, исходных материалов, тары, партии, параметров процесса и статуса очистки. Это создаёт надёжную основу для прослеживаемости, валидации процесса и оценки доступности установки.
Все гигиенические свойства основаны на конструктивно удобном для очистки исполнении. К ним относятся сваренные с минимальным количеством швов и отшлифованные поверхности, мешалки с опорой сверху без контактирующего с продуктом нижнего вывода вала, крупногабаритные инспекционные дверцы и выпускные органы с минимальным количеством застойных зон. Инспекционные дверцы CleverCut® с уплотнениями OmgaSeal® могут улучшать доступность и поддерживать долговременно герметичное, удобное для очистки исполнение. В зависимости от проекта могут также предусматриваться встроенные моющие копья или полностью автоматические функции мокрой очистки. Исполнение по директивам EHEDG, а также с учётом гигиенических директив FDA или 3-A Sanitary Standards возможно в зависимости от проекта.
Перед выбором смесительной системы стоит подтверждение на оригинальном продукте. В испытательном центре amixon® в Падерборне доступно более 30 испытательных установок разных типоразмеров; дополнительно действуют испытательные центры в Японии, Индии, Таиланде, Китае, Южной Корее и США. В испытаниях воспроизводятся реальная степень наполнения, размеры партий, условия температуры и давления. Оцениваются качество смешивания, бережность к продукту, ввод энергии, дезагломерация, введение жидкости, опорожняемость, очищаемость и воспроизводимость в последующей эксплуатации. Документированные результаты создают обоснованную основу для технического и экономического расчёта выбранного бочкового или IBC-решения для смешивания.