動的粉末試験を使用して包装プロセスを最適化する

2016 年 10 月 18 日

Haver & Boecker は、製造業向けの梱包および選別機械の専門サプライヤーであり、顧客は食品、バルク化学薬品、および塗料の分野に集中しています。 主な活動は、粉末および顆粒のターンキー包装ソリューションの仕様と製造です。これには通常、保管用のサイロとホッパーが含まれます。 中間バルクコンテナ (IBC) または 1 ～ 50 kg の袋のいずれかの充填ステーション。 投与および計量システム。 そして空気輸送プラント。 毎年、何百ものカスタマイズされたソリューションが提供され、新製品ごとに異なる粉末処理の課題が提示されます。 約 10 年前、Haver & Boecker は、より効率的で堅牢な機器の選択と最適化を確実にすることを目的として、取り扱う材料の流動性を測定するために、英国 Freeman Technology の FT4 パウダーレオメーターに投資しました。 この記事では、精密な粉体流量測定がもたらした影響と、機器の設計と仕様へのアプローチを改善するために機器が提供するデータがどのように企業によって使用されているかについて探ります。包装業界における流動性 Haver & Boecker の場合、新しいパッケージング ソリューション プロジェクトはそれぞれ、処理される材料の物理的特性の評価から始まります。 包装ラインを通る材料の連続的な流れを確保することは非常に重要であり、これには、処理される粉末または顆粒の固有の特性によく適合する機器を選択することが必要です。 長期的には、適合性が低いとスループットが低下し、機械の停止や過度のダウンタイムが発生し、手動介入の必要性が増大するため、収益性が損なわれます。 したがって、これらの問題を回避するにはどの物理特性を測定すべきかを特定することが重要です。 密度、粒度分布、水分と脂肪の含有量、圧縮、粒子の形状などの特性はすべて、装置の選択の参考として長い間測定されてきました。 これらのパラメータはすべて、材料の挙動と粉末の流動性に影響を与えます。これは加工や包装にとって重要な特性です。 しかし、同社は、これらのパラメーターを組み合わせても、プラントのパフォーマンスと相関する方法で流動性を確実に定量化するには不十分であることを認識しました。堅牢な機器仕様にとって重要な情報が欠落していました。 初期の試みは、Jenike せん断セルの使用を中心とした流動性を直接測定することで、この情報ギャップに対処しようとしました。 この技術では、1 つの圧密粉末面を別の圧密粉末面に対してせん断するのに必要な力を測定し、非閉じ込め降伏強度 (UYS) の値やその他のパラメータによって粉末の凝集性を定量化します。 これらのデータは、ホッパーの設計、ホッパーの排出のトラブルシューティング、さらにより広範には流動性のランク付けに広く使用されています。 ただし、せん断セル分析は手作業で集中的に行われ、時間がかかり、使用する機器によってはオペレーターごとに大きなばらつきが生じる可能性があります。 Haver & Boecker は、せん断セルを使用して 1 つの製品だけを測定するのに最大で半日かかる可能性があり、結果として生じる粉末の分類は、オペレータのばらつきにより「自由流動性」と「粘着性」の間で異なる可能性があることを発見しました。技術。 明らかに、これは理想的な解決策とは程遠いものであったため、代替案を研究することが決定されました。動的粉体試験の採用 2005 年頃、Haver & Boecker が粉体流動性測定の代替方法を研究し始めたとき、動的粉体試験は比較的新しい技術でした。 その産業上の関連性はほとんど証明されていませんでしたが、考えられる利点はすでに明らかでした。 動的試験は、既存のせん断セルのセットアップとは対照的に、比較的迅速かつ効率的な測定を提供し、同様に重要なことに、関連データを処理します。 動的試験は非常に感度が高く、せん断セル分析で同一と分類される粉末を区別して、プロセスのパフォーマンスに影響を与える差異を強調できます。 同社は、厳密な技術評価の結果、動的粉末試験機能への投資により、利用可能な最高の流動性データへのアクセスが提供されるとの結論に至り、Freeman Technology の FT4 粉末レオメーターの最初のユーザーの 1 つとなりました。 FT4 パウダーレオメーターに対して提供された初期トレーニングは包括的であり、オペレーターは測定が簡単で簡単であることを実感し、装置はすぐに日常的に使用できるようになりました。 それ以来、FT4 パウダーレオメーターは 10 年間、中断なくメンテナンスフリーで動作し続けてきました。 その間、毎年約 1,000 のサンプルが分析され、優れた信頼性の結果としてかなりの作業率が達成されました。動的データの活用あらゆる形式の粉体処理装置を指定する際の主な問題は、さまざまな装置の性能と測定可能な粉体特性を結びつける安全な設計アルゴリズムがほとんどないことです。 ホッパー設計はおそらく「科学的」アプローチが最も確立されている分野ですが、ここでも堅牢な最適化が難しい場合があります。 したがって、粉末および顆粒の処理装置の指定に日常的に直面している人々にとっての実用的なアプローチは、測定可能な材料特性と観察されたプロセス性能を結び付けるデータベースを開発することです。 特定の特性を持つ粉末に対してうまく機能したソリューションは、よく似た特性を持つ粉末に対しても再び機能する可能性があります。 Haver & Boecker は、過去 10 年間に扱われたすべての粉末の BFE を測定することにより、装置の性能に対する流動性の影響を広範囲に調査してきました。 同じまたは類似の BFE 値を持つ粉末は、流れの影響が非常に重要であるため、同様の包装装置を必要とする傾向がありますが、最適なソリューションを保証するには他の特性も考慮されます。 経験と動的測定を関連付けることにより、同社は独自の社内設計プロセスを効果的に作成し、洗練させてきました。 10 年分のデータが整備されているため、エンジニアはこのプロセスに安心して依存でき、高い自信を持って低リスクのソリューションを安全に提供できます。 特に、プロセス内の空気の量を最小限に抑え、スループットを最大化する設計を開発できます。 包装された粉末内の空気含有量を最小限に抑えることにより、袋の充填量が最大化されるため、業界にとって明確な目標となっています。 ただし、粉末中に存在する空気の量は、粉末の流れやすさに直接影響します。 したがって、エアレーションジェットなどの装置は、流動性の低い粉末を潤滑して流動性能を高めるために日常的に使用されています。 動的試験により流動性を確実に定量化することで、Haver & Boecker は包装ソリューション内の空気の量を絶対最小値まで削減し、それによってスループットを最適化すると同時に、詰まりやダウンタイムに関するプロセスのリスクを軽減することができました。 これは、競争力の高い処理ソリューションの提供を支える重要な成果です。研究例: ココアの包装ソリューション表 1 は、水分含量、嵩密度、BFE 値など、2 つの異なるココアパウダーの試験データを示しています。 これらのデータは、これらが「同じ」製品のサンプルであるにもかかわらず、実際には著しく異なることを示しています。 ココア 1 は、嵩が高く、緩く、突き固められた密度を持ち、均一な通気挙動も示します。これは、空気の追加が個々の粒子を効果的に潤滑することを示唆しています。 対照的に、ココア 2 は、空気を含ませると、通常、比較的強い粒子間力に関連する反応を伝達し、より迅速に脱気します。 これらは、パッケージング ソリューションを選択する際に非常に重要な特性です。 ココア 2 の BFE はココア 1 の BFE よりも大幅に低く、より容易に流動する可能性が高いことを示しています。両方の製品の試験は「エアパッカー」機で行われました (図 2 を参照)。 圧力チャンバーの底面に傾斜を持たせた構造で、排出や洗浄が容易で、製品の特性に合わせて通気量を変えることができます。 充填中の継続的な吸引により、最小限の袋内圧力で高い充填率が保証されます。試験では、25kg の袋 1 つを Cocoa 2 で充填するのに 23 秒かかりました。これにより、充填機の生産量は 1 時間あたり 110 袋になりました。 BFE の数値が示唆するように、ココア 1 はそれほど流動せず、この粉末が同じ袋を満たすのに 30 秒かかりました。 機械の生産量は 1 時間あたり 90 袋に低下しました。 これらの結果は、さまざまな製品にわたって観察された典型的なものであり、BFE 値を使用して、パッケージング ソリューションの予想されるパフォーマンスを予測し、充填率とスループットに関する現実的な期待を保証する方法を示しています。最終的な考え包括的な物理的特性評価は、あらゆるパッケージング ソリューションの設計/選択の基礎となります。 Haver & Boecker にとって、顧客満足度は、修正やトラブルシューティングを行わずに、最初から自社の製品で確実に機能する処理ソリューションを定義することに依存しているため、物理的特性評価プロセスを最適化することが重要です。 FT4 パウダーレオメーターによる動的粉体流量測定の採用は、他の粉体試験オプションと比較して非常に効率的であることが証明されており、処理装置の選択に非常に関連性の高いデータが得られます。 同社は現在、受け取ったすべてのサンプルの流動性を測定しています。 結果を、10 年間にわたるこのようなテストで収集した処理経験と関連付けることは、あらゆる製品に最適な包装機を特定するのに役立ちます。 このアプローチを適用することで、同社は、運用リスクを最小限に抑えながらスループットを最大化する、幅広い材料向けの高性能パッケージング ソリューションを自信を持って指定することができます。 _____________________________________________________________________動的粉体試験動的粉体試験では、その名前が示すように、動いている粉体を測定します。 動的粉末特性は、定義された経路に沿って粉末サンプル内を回転する螺旋ブレードに作用するトルクと力の測定から決定されます。 サンプルは、日常的な粉体処理に存在する応力範囲全体を表す、固化、中程度の応力、空気混入、または流動状態でも測定できます。 実際、この技術は、プロセス設計、最適化、およびトラブルシューティングの研究をサポートする粉体をテストするために特別に開発されたもので、特定のプロセス環境で粉体がどのように挙動するかを最大限に理解するために広く使用されています。パラメータの基礎流動性エネルギー (BFE) は、強制条件下または閉じ込められた状態で粉末がどのように流れるかを定量化するベースライン動的特性。 これは、粉末をブレードの下向きの移動にさらしてサンプルセルの閉じ込めベースに押し付けることによって測定されます。 BFE は高度に差別化できるパラメータであり、他の技術では同一であると分類される粉末サンプル間の差異を検出できます。 これを使用すると、粉末/顆粒の特性の比較的穏やかな変化を追跡し、加工性に関連する方法でよく似た材料を区別することができます。

Jamie Clayton は Freeman Technology Ltd のオペレーション ディレクターであり、Thomas Hilling は Haver & Boecker の R&D センター マネージャーです。 Freeman Technology Ltd の詳細については、www.freemantech.co.uk をご覧ください。 Haver & Boecker の詳細については、www.haverboecker.com をご覧ください。

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