پنجشنبه ۰۱ آذر ۰۳

مخلوط كردن ضخيم كننده ها 101

۲۹۵ بازديد

مخلوط كردن ضخيم كننده ها 101

هنگام ساختن هر نوع محصول ژله اي ، مخلوط مناسب اصلاح كننده هاي رئولوژي يا عوامل ضخيم كننده يك مرحله مهم در فرايند توليد است.

 

كريستين باناشك

6 ژوئيه 2020

 

همه تصاوير از شركت چارلز راس و پسر گرفته شده است

من و همكارانم اخيراً س companiesالاتي از شركت هايي دريافت كرده ايم كه به دنبال توليد سريع ضدعفوني كننده دست هستند. بسياري از آنها مشاغل كوچكي هستند كه در حال راه اندازي خط جديدي هستند ، در حالي كه ديگران شركت هايي هستند كه به طور معمول لوازم آرايشي يا شيميايي توليد مي كنند.

 

دانشگاه ها ، آزمايشگاه ها و توليدكنندگان قراردادي-و حتي مشروب سازي-در طول همه گيري COVID-19 در حال پيشرفت هستند. در بحبوحه اين بحران جهاني بهداشت ، ما به طور ناگهاني و شديداً از مشاركت توليدكنندگان كوچك و بزرگ در تهيه اقلامي كه قبلاً امري طبيعي تلقي مي شد آگاه هستيم. قبل از همه گيري ، آخرين باري كه به طور جمعي درباره توليد و عرضه ضد عفوني كننده دست ، محصولات تميز كننده ، دستكش ، ماسك يا دستمال توالت فكر مي كرديم ، چه زماني بود؟

 

يكي از خطوط نقره اي واكنش صنايع فرايندي به بحران موجود است - انعطاف پذيري و چابكي. من خوش شانس هستم كه براي يك توليد كننده تجهيزات مخلوط كننده 178 ساله كار مي كنم ، مشاغل مستقر در نيويورك ، متعلق به كاركنان و خانواده اي كه از جنگ ، طاعون ، ركود بازار و ركود جان سالم به در برده است. ما در تمام پنج كارخانه ايالات متحده به طور كامل كار مي كنيم و مفتخريم كه از زيرساخت هاي حياتي و تعميرات ريموت كنترل ساگا صنايع ضروري مانند غذا و نوشيدني ، داروسازي ، شيميايي و غيره پشتيباني مي كنيم.

 

از رنگ و جوهر (زماني كه بروكلين مركز توليد رنگ در اوايل دهه 1900 بود) ، تا پودر تفنگ بدون دود (در طول جنگ جهاني اول) ، تا روان كننده ها و بدنه (هنگامي كه صنعت خودرو شروع به كار كرد) ، تا لوازم آرايشي (زماني كه زنان بيشتر شروع به آرايش در دهه 1930) و تا چسب هاي پيشرفته ، روكش ها و مواد باتري (در عصر اينترنت و الكترونيك)-تعداد زيادي برنامه هاي كاربردي كه تاريخچه شركت من را شكل داده است و به طور گسترده تر تكامل فناوري اختلاط خود به وضوح با خواسته هاي متغير جامعه در هم آميخته است. در حال حاضر و در ماه هاي آينده ، يكي از اين خواسته ها ضدعفوني كننده دست است.

 

در انبوه چيزها

با در نظر گرفتن اين نكته ، طراوت كوتاهي در مخلوط كردن ضخيم كننده ها مناسب به نظر مي رسيد. هنگام ساختن هر نوع محصول ژله اي ، مخلوط مناسب اصلاح كننده هاي رئولوژي يا عوامل ضخيم كننده يك مرحله مهم در فرايند توليد است.

 

ضخيم كننده ها را مي توان به دو گروه آلي و معدني طبقه بندي كرد. گروه آلي شامل: ضخيم كننده ها و مشتقات سلولزي (CMC ، CMHEC ، HEC ، HMEC ، HPC ، HPMC ، و غيره). لثه هاي طبيعي (آگار ، كاراگينان ، ژلاتين ، پكتين ، زانتان و غيره) ؛ پليمرهاي مبتني بر آكريلات ؛ نشاسته ؛ استئاراتها ؛ الكلهاي اسيد چرب ؛ موم ؛ و روغن ها ضخيم كننده هاي غير آلي شامل خاك رس ، سيليكا و نمك است.

شكل 2: نماي نزديك يك ميكسر روتور/استاتور به سبك دسته اي.

به طور خاص ، اسيدهاي پلي اكريليك با وزن مولكولي بالا-همچنين به عنوان كاربومر شناخته مي شوند-معمولاً در همه نوع محصولات مراقبت شخصي از جمله خمير دندان ، شامپو ، لوسيون ها و ضد عفوني كننده هاي دست استفاده مي شود. اين دسته از ضخيم كننده ها براي رسيدن به حداكثر ويسكوزيته نياز به خنثي سازي دارند.

 

اصلاح كننده هاي رئولوژي ويسكوزيته سيستم را از طريق تركيبي از مكانيسم ها تغيير مي دهد. در مورد كربومرها ، افزودن قليايي به امولسيوني كه حاوي اين پليمرهاي محكم است ، بارهاي آنيوني را در امتداد زنجيره ايجاد مي كند - بارهاي مشابه باعث دفع پليمرها مي شود و تا چندين برابر حجم آنها متورم مي شود. يكي ديگر از انواع ريموت كنترل جرثقيل مكانيسم هاي ضخيم شدن ، تعامل بين گروه هاي آبگريز ضخيم كننده است. تداخل ذره به ذره بين ضخيم كننده و ساير اجزاي موجود در فرمولاسيون نيز به تغيير در خواص رئولوژيكي كمك مي كند.

 

مكانيسم ها و تركيبات واقعي آنها پيچيده است و از يك كاربرد به برنامه ديگر متفاوت است ، اما يك وجه مشترك نياز به پراكندگي يا انحلال مناسب عامل ضخيم كننده در سطوح برشي مناسب است. اهداف اوليه مرحله اختلاط ، تهيه مخلوط همگن و نمايان ساختن بيشترين سطح مساحت ذرات افزودني است. براي دستيابي به اهداف به صورت مكانيكي ، دسته بايد تحت انرژي برشي زيادي قرار گيرد زيرا ضخيم كننده ها در حال تركيب شدن هستند.

 

پردازش مشكلات

اولين چالش آشكار ، استفاده از ضخيم كننده هايي است كه به شكل پودرهاي ريز و كركي در مي آيند. براي كاهش تعداد ذرات معلق در هوا در منطقه اختلاط ، اپراتورها بايد مواد جامد را با دقت از ظرف اصلي خود و به ظرف مخلوط كننده منتقل كنند.

 

افزودن پودرها درست بر روي يك دسته هم زده محدوديت هايي را ايجاد مي كند. بيشتر ضخيم كننده ها به دليل گروه هاي آبگريز خود ، در برابر خيس شدن در تماس با آب مقاومت مي كنند ، توده ها و توده ها را تشكيل مي دهند. جو دوسر روي سطح براي مدت طولاني. اين امر اپراتورها را مجبور به الك كردن و افزودن پودرها به همان سرعتي مي كند كه مايع از آنها مي گيرد. در تحقيق و توسعه در مقياس آزمايشگاهي ، شارژ كردن پودرها به آرامي در مايع هم زده به سختي در مقادير كمي انجام نمي شود. اما در شرايط توليد در مقياس كامل ،تعميرات ريموت كنترل ساگا اين روش افزودن مي تواند بسيار پرهزينه و وقت گير باشد. علاوه بر اين ، اگر پودرها خيلي آهسته شارژ شوند ، تجمع ويسكوزيته كنترل نشده مي تواند در اواسط پردازش رخ دهد و مانع از تركيب كامل بقيه مواد جامد شود.

 

در مقابل ، افزودن دستي پودرها با سرعت زياد مي تواند باعث جمع شدن ذرات شود ، همانطور كه گفته شد. اين توده ها - كه به آنها "چشم ماهي" مي گويند - يك لايه بيروني سخت ايجاد مي كنند كه از خيس شدن كامل ذرات داخلي جلوگيري مي كند. شرايط جريان برشي و آشفته اي كه معمولاً براي تجزيه اين تراكم ها مورد نياز است مي تواند به طور بالقوه ذرات هيدراته شده را از بين ببرد. اختلاط شديد طولاني مدت ممكن است در واقع به پليمرها آسيب برساند و منجر به از دست دادن ويسكوزيته دائمي يا ساير خواص رئولوژيكي نامطلوب شود. در موارد شديد ، براي كوتاه كردن زمان چرخه ، اپراتورها عمداً از ضخيم كننده ها بيش از حد استفاده مي كنند و "چشم ماهي" حاصل را فيلتر مي كنند.

 

موارد فوق نشان مي دهد كه به راحتي مي توان ضخيم كننده ها را به طور ناكارآمد مخلوط كرد. شدت اختلاط ، ميزان و روش افزودن پودر ، زمان چرخه ، دماي دسته ، مشخصات ويسكوزيته و كيفيت مواد اوليه-اين عوامل به بهره وري عملياتي ، قوام دسته به دسته و آشكارسازي عملكرد كامل هر يك از مواد كمك مي كند.

 

شكل 3: مخلوط كن برشي بالا روي يك چرخ دستي موبايل.

برخي راه حل ها

يكي از تكنيك هاي پردازش اين است كه پودرهاي كربومر را در يك مخزن مخلوط مخصوص تحت برش زياد در آب پخش مي كنند. پراكندگي حاصل بعداً با فاز الكل و بقيه مواد در يك مخزن اصلي مجهز به پروانه يا جارو لنگر با سرعت كم مخلوط مي شود.تعميرات ريموت كنترل ساگا در مخزن اصلي ، يكي از مواد نهايي كه بايد مخلوط شود ، عامل خنثي كننده (هيدروكسيد سديم ، هيدروكسيد پتاسيم يا يك پايه آمين) است كه سپس افزايش سريع ويسكوزيته ژل را آغاز مي كند. پراكندگي ضخيم كننده ها در مخزن كوچكتر نياز به يك مخلوط كن برشي بزرگ را براي قرار دادن مخزن اصلي برطرف مي كند ، با توجه به اينكه ساير اجزاي محصول نيازي به اختلاط شديد ندارند. اگر ضخيم كننده ها به طور مستقيم به مخزن اصلي اضافه شوند ، اپراتورها بايد توجه داشته باشند كه به محض قرار گرفتن كامل پودرها به هم زدن ملايم تري روي آورند.

 

شكل 4: ميكسر روتور/استاتور دسته اي داراي سيستم تزريق پودر زير سطح.

شكل 4: ميكسر روتور/استاتور دسته اي داراي سيستم تزريق پودر زير سطح.

ميكسرهاي برشي بالا ، كه با سر مخلوط كننده روتور/استاتور مشخص مي شوند ، به طور گسترده اي براي مرطوب كردن ضخيم كننده ها و آماده سازي يك پراكندگي خوب استفاده مي شوند. طراحي كلاسيك با يك روتور چهار تيغه با سرعت نوك در محدوده 3000 تا 4000 فوت در دقيقه در يك استاتور ثابت با تحمل نزديك مشخص مي شود. با كشيدن مداوم اجزاي محصول به روتور و بيرون راندن آنها به صورت شعاعي از طريق دهانه هاي استاتور ، برشي مكانيكي و هيدروليكي ايجاد مي كند. ميكسرهاي برشي بالا در دو طرح دسته اي و خطي موجود است.

 

 در عمليات دسته اي ، مخلوط كن روتور/استاتور با توجه به حجم مخزن (يا محدوده حجم عملياتي ، اگر براي استفاده در چند مخزن در نظر گرفته شده است) اندازه دارد. به عنوان مثال ، يك روتور با قطر 4 اينچ كه توسط يك موتور 10HP هدايت مي شود مي تواند دسته هاي با ويسكوزيته پايين (<20،000 cps) كوچك به اندازه 20 گالن و بزرگتر از 150 گالن را اداره كند. در اين محدوده حجمي و ويسكوزيته ، ميكسر برشي دسته اي 10HP قادر است جريان مناسبي را در يك ظرف با نسبت L/D معقول (در حالت ايده آل 1.2 تا 0.8) ايجاد كند. با بزرگتر شدن حجم دسته ، هد روتور/استاتور بزرگتري مورد نياز است ، و تعميرات ريموت كنترل ساگا نصب يك پروانه كمكي يا همزن لنگر براي تكميل جريان فله غير معمول نيست. سرانجام ، ميكسرهاي برشي دسته اي بزرگ به اسب بخار نياز دارند كه براي بسياري از عمليات ممنوع است. در چنين مواردي ، انتقال به يك دستگاه ميكسر داخلي در گردش مجدد عملي تر است.

 

مخلوط كنهاي برشي با خطوط خارجي نصب شده در مقايسه با نمونه هاي دسته اي خود نسبت به اندازه و هندسه مخزن حساسيت كمتري دارند. به عنوان مثال ، يك ميكسر روتور/استاتور داخلي 10HP كه براي گردش مجدد تنظيم شده است ، 240 گالن مايع فرآيند در دقيقه (بر اساس ويسكوزيته شبيه آب) را پمپ مي كند. اين مي تواند مواد را از يك مخزن همزن 1500 گالني به همان راحتي برش دهد ، همانطور كه مي تواند محصول را از يك ظرف 150 گالني برش دهد. تفاوت فقط در كل زمان مورد نياز براي دستيابي به "X" تعداد عبور از سر مخلوط است. براي اطمينان از يكنواختي دسته اي ، گردش مجدد براي كمتر از ده پاس نظري يك قاعده خوب است ، علاوه بر اعمال نوعي از هم زدن درون تانك در صورت نياز.

 

در گذشته و حتي در سالهاي اخير ، برخي از توليدكنندگان انواع ريموت كنترل جرثقيل براي مقابله با گردگيري زياد و مسائل مربوط به پودر شناور ، تكنيك هاي القاي پودر بر پايه ادوكتور را در عمليات خطي اتخاذ كرده اند.

 

اين سيستم ها بر اساس اصل ونتوري عمل مي كنند: يك پمپ مايع را به يك ادوكتو افزايش مي دهد r ايجاد خلاء ؛ پودري كه از طريق يك لوله سربار تغذيه مي شود ، توسط خلاء به داخل هادي كشيده مي شود و در آنجا به جريان مايع مي پيوندد. مدت كوتاهي پس از اين "نقطه ملاقات" ، يك دستگاه روتور/استاتور پودر و اجزاي مايع را مخلوط مي كند ، سپس مخلوط را به سمت پايين حركت مي دهد. اين نظريه صحيح است ، اما در عمل ، ايجاد تعادل بين عملكرد پمپ ، ادوكتور و ميكسر مشكل است. در بسياري از برنامه ها ، زمان خرابي به دليل گرفتگي معمول زياد است. سيستم مزاج است و براي اجرا با موفقيت نياز به تجربه و توجه زياد اپراتور دارد. با سه دستگاه جداگانه به صورت سري ، نظافت و نگهداري مي تواند سخت باشد.

 

شكل 5: ميكسر برشي بالا با توان بالا كه براي كشيدن و پخش پودرها در يك جريان مايع طراحي شده است ، بدون نياز به يك پمپ خلأ يا خلاء.

شكل 5: ميكسر برشي بالا با توان بالا كه براي كشيدن و پخش پودرها در يك جريان مايع طراحي شده است ، بدون نياز به يك پمپ خلأ يا خلاء.

نسل جديد ميكسرهاي برشي با محدوديت هاي فوق با استفاده از سر مخلوط كننده روتور/استاتور كه عملكرد پمپ و هادي را نيز انجام مي دهد ، برطرف مي شود. روتور وارد شده يك خلاء شديد ايجاد مي كند كه پودرها را مستقيماً به منطقه برشي بالا در محفظه مخلوط مي كشاند ، جايي كه بلافاصله در مايع پراكنده مي شوند. پمپ كمكي و هدايت كننده مورد نياز نيست و كار را ساده تر و بسيار ساده تر مي كند. از آنجا كه جامدات و مايعات به طور همزمان در سر مخلوط كننده تركيب شده و مخلوط مي شوند ، در وهله اول از تشكيل آگلومرات و مواد مسدود كننده جلوگيري مي شود. پراكندگي ضخيم كننده ها و پركننده ها از جمله كربومرها ، سلولز ، آلژيناتها ، رس بنتونيت ، صمغ زانتان ، گوار ، كاراگينان ، پكتين ، سيليس دودي ، نشاسته ، كربنات كلسيم ، كربن سياه ، دي اكسيد تيتانيوم و تالك- به ويژه در مقادير زياد- از eductor بسيار سود مي برد- سيستم هاي تزريق ميكسر/پودر برشي كمتر

 

شكل 6: پراكندگي با سرعت بالا با تيغه دندان اره اي

ضخيم كننده هاي كم تقاضا

خيس شدن برخي از مواد ضخيم كننده راحت تر از بقيه است. پراكنده كننده دندان اره به اندازه يك دستگاه روتور/استاتور برشي ندارد اما مي تواند به همان اندازه موثر عمل كند. تيغه ديسپرسر ديسكي با سرعت بالا در حدود 5000 فوت در دقيقه حركت مي كند و جريان قوي را در مخزن مخلوط ايجاد مي كند و برشي بيشتري در مقايسه با ساير دستگاه هاي مخلوط كننده تيغه باز مانند پروانه يا توربين ايجاد مي كند. اين گرداب ايجاد مي كند كه مي توان مواد جامد را براي تركيب سريع به آن اضافه كرد. بسته به عمق گرداب ، ممكن است تيغه پراكنده بر روي مركز يا خارج از آن قرار گيرد (يك تيغه خارج از مركز گرداب كوچكتري توليد مي كند و گرفتگي هوا را كاهش مي دهد). با افزايش حجم يا افزايش حجم ، سرعت تيغه تنظيم مي شود تا گرداب و سرعت گردش مواد حفظ شود. به طور كلي پراكنده كننده ها مي توانند گرانروي تا حدود 50،000 cps را كنترل كنند.

 

گرانروي اهميت دارد

هيدروژل ها براي دستگاه هاي پزشكي ، ژل هاي تزريقي ، داروهاي موضعي و ساير داروهاي درجه دارويي معمولاً نياز به پردازش در ميكسر با سيستم بسته و داراي درجه خلاء دارند كه براي كنترل دقيق دما و همزن كارآمد در ويسكوزيته هاي بيش از 100000 سي پي سي طراحي شده است. بسته به محدوده ويسكوزيته و نياز برشي ، ميكسرهاي چند شافت و ميكسرهاي سياره اي معمولاً براي چنين كاربردهاي درجه يك استفاده مي شوند. قابليت پردازش خلاء اجازه مي دهد تا هوا از محصول خارج شود و در نتيجه يك ژل نرم و بدون هوا ايجاد شود. خراشنده هاي تفلون دائماً مواد را از ديواره هاي جانبي و سطوح زير ظرف مخلوط تبادل مي كنند و انواع ريموت كنترل جرثقيل باعث ايجاد يكنواختي دسته اي و تسريع در انتقال حرارت در هر مرحله گرمايش يا سرمايش مي شود.

 

كريستين باناشك مدير فروش در شركت چارلز راس و سون ، توليد كننده تجهيزات مخصوص اختلاط و تركيب است. به عنوان يك مهندس برنامه در دفتر مركزي شركت در Hauppauge ، نيويورك ، او در مركز توسعه و آزمايش راس كار كرده است و مقالات و تصاوير سفيد زيادي در زمينه تركيب و تركيب فناوري ها ، برنامه ها و بهترين شيوه ها منتشر كرده است.

Mixing Thickeners 101

When making any gel-type product, proper mixing of rheology modifiers or thickening agents is a crucial step in the production process.

All images courtesy of Charles Ross & Son Company
All images courtesy of Charles Ross & Son Company

Figure 1: Multi-shaft mixer designed for single-pot processing of viscous and air-free gel formulations.Figure 1: Multi-shaft mixer designed for single-pot processing of viscous and air-free gel formulations.

My colleagues and I have recently been receiving a flood of inquiries from companies looking to quickly produce hand sanitizer. Many are small businesses starting up a new line, while others are companies that normally produce cosmetics or chemicals.

Universities, laboratories and contract manufacturers — and even distilleries — are stepping up to the plate during the COVID-19 pandemic. Amid this global health crisis, we are suddenly and acutely aware of the contributions of small and large manufacturers in providing items previously taken for granted. Before the pandemic, when was the last time we collectively gave a second thought to the production and supply of hand sanitizer, cleaning products, gloves, masks or toilet paper?

One silver lining is the response of the process industries to the crisis at hand — that of resilience and agility. I am fortunate to work for a 178-year-old manufacturer of mixing equipment, a New York-headquartered, employee-owned, family-started business that has survived wars, plagues, market depressions and recessions. We remain fully operational across all five United States plants and are proud to support critical infrastructure and essential industries such as food and beverage, pharmaceutical, chemical and more.

From paints and inks (when Brooklyn was a prominent paint manufacturing center in the early 1900’s), to smokeless gun powder (during World War I), to lubricants and body finishes (when the automotive industry took off), to cosmetics (when more women started wearing make-up in the 1930’s) and all the way to advanced adhesives, coatings and battery materials (in the internet and electronics age) — the sweeping number of applications that have shaped my company’s history, and more broadly the evolution of mixing technology itself, is obviously intertwined with the changing demands of society. Now and in the coming months, one of those demands is hand sanitizer.

In the thick of things 

With that in mind, a short refresher on mixing thickeners seemed fitting. When making any gel-type product, proper mixing of rheology modifiers or thickening agents is a crucial step in the production process.

Thickeners may be classified into organic and inorganic groups. The organic group includes: cellulosic thickeners and derivatives (CMC, CMHEC, HEC, HMEC, HPC, HPMC, etc.); natural gums (agar, carrageenan, gelatin, pectin, xanthan, etc.); acrylate-based polymers; starches; stearates; fatty acid alcohols; waxes; and oils. Inorganic thickeners include clays, silicas and salts.

Figure 2: Close-up of a batch-style rotor/stator mixer.Figure 2: Close-up of a batch-style rotor/stator mixer.

 

In particular, high-molecular-weight polyacrylic acids — also known as carbomers — are commonly used in all manner of personal care products including toothpaste, shampoo, lotions and hand sanitizers, to name a few. This class of thickeners requires neutralization to achieve maximum viscosity.

Rheology modifiers alter a system’s viscosity through a combination of mechanisms. In the case of carbomers, adding an alkali to an emulsion containing these tightly coiled polymers generates anionic charges along the chains — like charges repel causing the polymers to uncoil and swell to many times their volume. Another thickening mechanism is the interaction among the hydrophobic groups of the thickener. Particle-to-particle interactions between thickener and other components in the formulation also contribute to changes in rheological properties.

The actual mechanisms and combinations thereof are complex and vary from one application to another, but a common denominator is the need for proper dispersion or dissolution of the thickening agent at the right shear levels. The primary objectives of the mixing step are to provide a homogenous mixture and to expose as much surface area of the additive particles as possible. To achieve these goals mechanically, the batch must be subjected to ample shearing energy as the thickeners are being incorporated.

Processing pitfalls 

The first apparent challenge is handling thickeners that come in the form of fluffy and dusty fine powders. To reduce the number of airborne particles in the mixing area, operators must carefully transfer the solids from their original container and into the mixing vessel.

Adding powders right on top of an agitated batch poses limitations. Most thickeners, due to their hydrophobic groups, resist wet-out upon contact with water, form lumps and float on the surface for long periods. This forces operators to sift and add powders only as fast as the liquid will take them. In lab-scale research and development, charging powders slowly into vigorously stirred liquid is not hard to accomplish in small quantities. But in a full-scale production setting, this method of addition can be very costly and time-consuming. Moreover, if powders are charged too slowly, an uncontrolled viscosity build-up can occur mid-processing and prevent the rest of the solids from being fully incorporated.

In contrast, manually adding the powders too fast can cause particles to clump up, as mentioned. These clumps — so called “fish eyes”— form a tough outer layer that prevents complete wetting of the interior particles. The high shear and turbulent flow conditions usually needed to break up these agglomerations can potentially overshear the already hydrated particles. Prolonged intense mixing may in fact damage the polymers and lead to permanent viscosity loss or other undesired rheological properties. In extreme cases, to shorten cycle times, operators resort to intentionally overdosing thickeners and filtering out the resulting “fish eyes.”

The above establishes that it is easy to mix thickeners inefficiently. Mixing intensity, rate and method of powder addition, cycle time, batch temperature, viscosity profile and raw material quality — these factors contribute to operational productivity, batch-to-batch consistency and revealing the full functionality of each ingredient.

Figure 3: Inline high shear mixer on a mobile cart.Figure 3: Inline high shear mixer on a mobile cart.

 

Some solutions 

One processing technique is to disperse carbomer powders into water under high shear in a dedicated mixing tank. The resulting dispersion is later blended with the alcohol phase and the rest of the ingredients in a main tank equipped with a low-speed propeller or anchor sweep. In the main tank, one of the final ingredients to be mixed in is the neutralizing agent (sodium hydroxide, potassium hydroxide or an amine base) which then initiates a rapid increase in gel viscosity. Dispersing the thickeners in a smaller tank eliminates the need for a large high shear mixer to fit the main tank, considering that the other product components do not require intense mixing. If thickeners are added directly to the main tank, operators must be mindful to switch to gentler agitation as soon as the powders are fully incorporated.

Figure 4: Batch rotor/stator mixer featuring sub-surface powder injection system.Figure 4: Batch rotor/stator mixer featuring sub-surface powder injection system.

 

High shear mixers, characterized by a rotor/stator mixing head, are widely used for wetting out thickeners and preparing a fine dispersion. The classic design is characterized by a four-blade rotor running at tip speeds in the range of 3,000-4,000 ft/min within a close tolerance fixed stator. It creates mechanical and hydraulic shear by continuously drawing product components into the rotor and expelling them radially through the openings in the stator. High-shear mixers are available in both batch and inline designs.

 In batch operations, the top-entering rotor/stator mixer is sized according to tank volume (or range of operating volumes, if intended for use on multiple vessels). For example, a 4” diameter rotor driven by a 10HP motor can handle low-viscosity batches (<20,000 cps) as small as 20 gallons and as large as 150 gallons. Within this approximate volume range and viscosity, the 10HP batch high shear mixer is able to produce adequate flow in a vessel with reasonable L/D ratio (1.2 to 0.8, ideally). As batch volumes become larger, bigger rotor/stator heads are required, and it is not uncommon to install an auxiliary propeller or anchor agitator to supplement bulk flow. Eventually, large-batch high shear mixers demand horsepowers that are prohibitive for many operations. In such cases, moving to a recirculating inline mixer set-up is more practical.

Externally installed, inline high shear mixers are less sensitive to tank size and geometry compared to their batch counterparts. For instance, a 10HP inline rotor/stator mixer set up for recirculation will pump around 240 gallons of process fluid per minute (based on water-like viscosity). It can shear material from a 1,500-gallon stirred tank as easily as it can shear product from a 150-gallon tote. The difference would simply be the total time required to achieve “X” number of passes through the mixing head. To ensure batch uniformity, recirculating for no less than ten theoretical passes is a good rule of thumb, in addition to applying some form of in-tank agitation as needed.

In the past, and even in recent years, some manufacturers have adopted eductor-based powder induction techniques in inline operations to combat excessive dusting and floating powder issues.

These systems operate based on the Venturi principle: a pump accelerates liquid into an eductor creating a vacuum; powder fed through an overhead tube is drawn by the vacuum into the eductor where it joins the liquid flow. Shortly after this “meeting point,” a rotor/stator device mixes the powder and liquid components, then propels the mixture downstream. The theory is sound, but in practice, balancing the performance of the pump, eductor and mixer is difficult. In many applications, downtime is high due to routine clogging. The system is temperamental and requires a lot of operator experience and attention to run successfully. With three separate devices in series, clean-up and maintenance can be demanding.

Figure 5: High-throughput inline high shear mixer designed to draw and disperse powders into a liquid stream without the need for an eductor or vacuum pump.Figure 5: High-throughput inline high shear mixer designed to draw and disperse powders into a liquid stream without the need for an eductor or vacuum pump.

 

New generation high shear mixers address the above limitations by using a specially designed rotor/stator mixing head that also executes the functions of both the pump and the eductor. The ported rotor generates an intense vacuum which draws powders right into the high shear zone of the mix chamber, where they are dispersed instantly into liquid. An auxiliary pump and eductor are not required, making operation simpler and much more straightforward. Because solids and liquids are combined and mixed simultaneously right in the mixing head, agglomerates and clog-inducing materials are prevented from forming in the first place. Dispersion of thickeners and fillers including carbomers, cellulose, alginates, bentonite clay, xanthan gum, guar, carrageenan, pectin, fumed silica, starch, calcium carbonate, carbon black, titanium dioxide and talc — especially in large quantities — greatly benefit from eductor-less high shear mixer/powder injection systems.

Figure 6: High speed disperser with sawtooth bladeFigure 6: High speed disperser with sawtooth blade

 

Less demanding thickeners 

Some thickening agents are easier to wet out than others. A saw-tooth disperser is not as shear-intense as a rotor/stator device but could work just as effectively. Running at tip speeds of around 5,000 ft/min, the disc-type disperser blade creates vigorous flow within the mix vessel and imparts greater shear compared to other open-blade mixing devices like propellers or turbines. It generates a vortex into which solids can be added for quick incorporation into the batch. The disperser blade may be located on- or off-center depending on the depth of the vortex (an off-center blade produces a smaller vortex and reduces air entrapment). As the batch thickens or increases in volume, blade speed is adjusted to maintain the vortex and rate of material turnover. Dispersers can generally handle viscosities up to around 50,000 cps.

Viscosity matters 

Hydrogels for medical devices, injectable gels, topical drugs and other pharmaceutical-grade preparations commonly require processing in a closed-system, vacuum-rated mixer designed for accurate temperature control and efficient agitation at viscosities well over 100,000 cps. Depending on the viscosity range and shear requirement, multi-shaft mixers and planetary mixers are typically utilized for such high-end applications. Vacuum processing capability allows removal of air from the product, resulting in a smoother, air-free gel. Teflon scrapers constantly exchange materials from the sidewalls and bottom surfaces of the mix vessel, promoting batch homogeneity and accelerating heat transfer during any heating or cooling step.

Christine Banaszek is the sales manager at Charles Ross & Son Company, manufacturer of specialty mixing and blending equipment. As an application engineer at the corporate headquarters in Hauppauge, New York, she has worked at the Ross Test & Development Center and published many articles and whitepapers on mixing and blending technologies, applications and best practices

تا كنون نظري ثبت نشده است
ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در مونوبلاگ ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.