Het is cruciaal bij het uitvoeren van een mengoperatie van bulkvastestoffen (poeder, korrels, etc.) om een gewenste homogeniteit te bereiken, die het mengsel geschikt maakt voor verkoop of verdere verwerking. Ingenieurs vragen zich vaak af waarom een mengsel niet homogeen genoeg is: een van de belangrijkste parameters om te controleren is de grootte van de deeltjes in het mengsel.

1. Mengselhomogeniteit

Bij het uitvoeren van een mengoperatie is de homogeniteit aan het einde van de mengtijd de kwaliteitsparameter die het meest telt. Het bereiken van de juiste mengkwaliteit zorgt ervoor dat het mengsel voldoet aan de vereiste eigenschappen voor een volgende processtap of direct voor de klant. De homogeniteit moet worden gedefinieerd ten opzichte van een monstergrootte, gekozen op basis van het uiteindelijke gebruik van het mengsel, en via statistiek door meerdere monsters uit een mixer te nemen en voor elk monster een sleutelmeting uit te voeren die de mengkwaliteit vertegenwoordigt (bijv. de concentratie van een component).

Het komt echter voor dat, ondanks een correcte mengtijd en een correcte mengsnelheid, de homogeniteit van het mengsel in de mixer, of na het lossen uit de mixer, niet bevredigend is. In veel gevallen wordt dit veroorzaakt door verschillen in deeltjesgroottes tussen de verschillende componenten van het mengsel.

2. Invloed van deeltjesgrootte op mengselhomogeniteit

Een mengsel bestaande uit componenten met sterk verschillende deeltjesgroottes maakt het gevoelig voor segregatie (ontmenging). Vaste stoffen met verschillende deeltjesgroottes hebben namelijk de neiging om te scheiden, waarbij kleine deeltjes in één gebied en grote deeltjes in een ander gebied terechtkomen.

Er bestaan namelijk verschillende segregatiemechanismen en deze kunnen allemaal worden geactiveerd door deeltjes van verschillende groottes:

• Percolatie: kleinere deeltjes kunnen door de holtes tussen grote deeltjes zakken, met name wanneer het mengsel wordt gevibreerd. Omgekeerd lijkt dit fenomeen ervoor te zorgen dat grove deeltjes in het poedermengsel omhoog komen.
• Elutriatie: bij het lossen van poeder uit een apparaat naar een trechter, wordt lucht uit de ontvangende trechter verdreven en stijgt op. Deze lucht ontmoet de vallende deeltjes; grote deeltjes worden nauwelijks beïnvloed, maar kleinere deeltjes blijven langer in suspensie en zullen pas aan het einde van het lossen neerslaan, wat leidt tot een hogere concentratie van kleine deeltjes bovenaan het wervelbed.
• Trajectoriële segregatie: door hun grootte zullen grotere deeltjes verder bewegen dan kleine deeltjes.

Aangezien verschillen in deeltjesgrootte de hoofdoorzaak zijn van de meeste inhomogeniteiten in bulkvaste mengsels, is een van de mogelijkheden voor industriële toepassingen het aanpassen van de deeltjesgroottes van de ingrediënten van de recepturen om de verdeling te verkleinen en zo het risico op segregatie te verminderen.

3. Verbetering van homogeniteit door de grootte van de gemengde materialen te veranderen

Er zijn verschillende mogelijkheden om segregatie van deeltjes in een vastestofmengsel te voorkomen:

• Het is mogelijk om ervoor te zorgen dat het mengsel niet vrijstromend is; dit vermindert het risico op segregatie aanzienlijk, met name voor volgende processtappen, maar kan ernstige verwerkingsproblemen veroorzaken als het mengsel niet goed uit trechters stroomt.
• Een andere mogelijkheid is het uitvoeren van een granulatie (droog of nat) , waarbij deeltjes worden geagglomereerd tot grotere deeltjes die een gedefinieerde samenstelling behouden. Deze methode wordt vaak toegepast in de farmaceutische industrie.
• De laatste mogelijkheid is om de groottes van de deeltjes te verkleinen, zodat de neiging tot segregatie afneemt. Deze verkleining kan worden bereikt door ingrediënten met een nauwere deeltjesgrootteverdeling te selecteren, of door voor- of namaling.

3.1 Specificatie van materialen

De meest effectieve oplossing, vanuit proces- en CAPEX-oogpunt, is het aanpassen van de specificaties van materialen die bij een leverancier worden ingekocht. De PSD (Particle Size Distribution) kan bijvoorbeeld zo worden gedefinieerd dat deze overeenkomt met de deeltjesgroottes van de andere mengselcomponenten. Deze aanpak is echter niet altijd mogelijk, en als het wel mogelijk is, kan dit gepaard gaan met hogere inkoopkosten voor het ingrediënt.

3.2 Voormaling

Als het niet mogelijk of economisch haalbaar is om een ingrediënt met de juiste grootte in te kopen, is het alternatief om één of alle ingrediënten vóór de mengstap te malen. Afhankelijk van de benodigde capaciteit en grootte kunnen verschillende apparaten worden gebruikt, zoals een nibbler, een kegelmolen of een universele molen.

Deze methode brengt echter operationele complexiteiten met zich mee, ten eerste omdat een molen in het proces moet worden opgenomen, wat niet altijd mogelijk is afhankelijk van de opstelling, en omdat de molen zelf verschillende problemen met zich meebrengt: moeilijkheden bij het instellen van de molen, behoefte aan training voor operators en een verhoogd risico op stofexplosie , dat beheerst moet worden via preventieve en mitigerende maatregelen.

3.3 Namaling

Als het niet mogelijk is om een grootteverminderingstap vóór het mengen op te nemen, is een andere mogelijkheid om de molen aan de uitlaat van de mixer te plaatsen. Dit kan eenvoudiger zijn vanuit het oogpunt van opstelling, hoewel namaling kan leiden tot een overgedimensioneerde molen, omdat alle componenten erdoorheen moeten. Bovendien kan namaling segregatie veroorzaken als, bijvoorbeeld, een van de componenten (fijner) sneller uit de molen komt dan de andere ingrediënten. Als een fabriek namaling wil implementeren om segregatie van het mengsel te verminderen, moet een zorgvuldige studie worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de molen niet daadwerkelijk extra ontmenging veroorzaakt.