NIEUWS

Deeltjesontwerp middels agglomeratieprocessen

Het ontwerp van deeltjes (particle engineering) heeft alles te maken met het samenspel tussen uitgangsmateriaal, procesapparatuur en hulpstoffen. De uitdaging is om vanuit dit samenspel deeltjes te vormen met juist die eigenschappen welke bijdragen aan een succesvolle toepassing van het product door de eindgebruiker. Een belangrijk instrument daarbij is het agglomeratieproces.

De rol van een machinebouwer als Hosokawa Micron in Doetinchem gaat verder dan het afleveren van apparaten en installaties. De klant staat voor de opgave om poeders of korrels te maken die geschikt zijn voor het doel dat de eindgebruiker er mee heeft. Meestal moet dat product - of het nu poeders of korrels zijn - aan een reeks eisen voldoen. De eindgebruiker wil het product bijvoorbeeld doseren, mengen en oplossen. De korrels moeten in dat geval goed kunnen stromen, een bepaalde sterkte en deeltjesgrootte hebben en goed te bevochtigen zijn. Het is van groot belang dat een klant de gewenste eigenschappen en functionaliteiten van het product met de machinebouwer bespreekt.

Deeltjesontwerp

Hosokawa Micron is op grond van haar kennis en ervaring in staat om de korrels zodanig te ontwerpen dat ze over de gewenste fysische eigenschappen beschikken. Soms zijn die eigenschappen slecht met elkaar verenigbaar en moet worden gezocht naar een optimum. Dit kan ertoe leiden dat een klant wordt voorgesteld om te opteren voor bijvoorbeeld een agglomeraat in plaats van een pellet. In andere gevallen wordt voorgesteld om met gelaagd opgebouwde deeltjes te voldoen aan eigenschappen met betrekking tot bijvoorbeeld het drooggedrag, de porositeit, het specifieke deeltjesoppervlak, het stortgewicht of de verpersbaarheid. Pas als de belangrijkste functies van het eindproduct zijn geformuleerd, kan worden gekeken naar de verschillende processen om de gewenste deeltjesvormen en -eigenschappen te realiseren. En vervolgens komt men in het stadium waarin een proces wordt vertaald naar apparaten en installaties; dit opnieuw in nauw overleg met de klant.

Agglomeratie

In veel gevallen is het uitgangsmateriaal voor het te vormen product een poeder dat moeilijk stroomt. De slechte loopeigenschappen zijn vaak een gevolg van Van der Waals-krachten, elektrostatische ladingen en ruwe deeltjesoppervlakken. Een belangrijk proces om met name de loopeigenschappen van dergelijke poeders te verbeteren, is agglomeratie. Bij dit proces gaat het om de interactie tussen uitgangsmateriaal, procesapparatuur en hulpstoffen. Vaak begin het proces met een mengfase, terwijl aan het uitgangsmateriaal een vloeistof wordt toegevoerd. Tussen de productdeeltjes ontstaan vervolgens vloeistofbruggen waardoor zich agglomeraten vormen. De sterkte van de agglomeraten kan worden verbeterd door de toevoeging van een bindmiddel ('binder'). De vloeistofbruggen in het agglomeraat kunnen in een droogstap worden omgezet in vaste stof-bruggen. Deze vaste stof-bruggen bestaan uit het product zelf of uit gekristalliseerd bindmiddel.

Vetgebaseerde bindmiddelen

De keuze voor een bindmiddel is sterk afhankelijk van de toepassing van het eindproduct. Sommige bindmiddelen zijn eetbaar en andere niet. De sterkte van het bindmiddel verschilt nogal. Bij sommige bindmiddelen is het mogelijk om het agglomeraat tussen duim en wijsvinger gemakkelijk te vergruizen of te versmeren, terwijl andere bindmiddelen juist een zeer sterk agglomeraat opleveren. Bij op vetten gebaseerde bindmiddelen is het smelttraject van belang, zowel bij food als non-food producten. Zo kan de eis bestaan dat een granulaat bij een temperatuur van 80°C uit elkaar valt, omdat het product bij die temperatuur wordt geëxtrudeerd. Enkele vetgebaseerde bindmiddelen zijn palmolie, cacaoboter, polyethyleenglycol (PEG) en paraffine.

Wateroplosbare bindmiddelen

Behalve op vetgebaseerde bindmiddelen worden ook wateroplosbare bindmiddelen toegepast. Enkele eetbare, wateroplosbare bindmiddelen zijn suikerstroop, CMC (CarboxyMethylCellulose) en gemodificeerd zetmeel. Suikerstroop zorgt voor een sterk, stabiel agglomeraat. Agglomeraten op basis van CMC en gemodificeerd zetmeel zijn zwakker. Zetmeel kan zowel als poeder als in oplossing aan het uitgangsmateriaal worden toegevoegd. Een niet eetbaar, wateroplosbaar bindmiddel is natriumsilicaat. Dit bindmiddel wordt wel toegepast in de chemie en mineralenindustrie. Het zorgt voor een sterk granulaat dat relatief langzaam oplost in water. Een wat kostbaarder water gebaseerd bindmiddel is PVP en PVP (polyvinyl-pyrrolidone en polyvinyl-acetaat), dat wordt gebruikt voor de vorming van sterke agglomeraten.

Principes

Voor het vormen van agglomeraten kunnen verschillende principes worden toegepast die corresponderen met verschillende installaties.

  • Cyclomix: Bij shear-agglomeratie worden deeltjes op elkaar gewreven. Hierbij treden hoge afschuifkrachten op. Een apparaat dat volgens dit principe werkt, is de Cyclomix. De agglomeraten zijn over het algemeen dicht ('dense') en stabiel.
  • Kompaktor: Een agglomeratie-techniek op basis van de uitoefening van druk is de Kompaktor. In dit wals-apparaat worden deeltjes met een hoge druk op elkaar geperst. In het verlengde van deze techniek ligt de Bextruder, die gebruik maakt van het extrusieprincipe. Het extrudaat of compactaat heeft een gedefinieerde vorm en is dicht.
  • Flexomix: Daarnaast is het ook mogelijk om te deeltjes te vergroten door ze intensief met elkaar te laten botsen. Een apparaat dat gebruik maakt van het impactprincipe is de Flexomix. In een verticale, snelle productstroom (20 – 50 m/s) wordt een agglomeratie vloeistof verneveld die direct in het product wordt verdeeld. De deeltjes zijn over het algemeen poreus en vergelijkbar met resultaat uit de Agglomaster.

Drogen en koelen

In de laatste fase van het agglomeratie-proces kan nog een droogstap volgen (bij wateroplosbare bindmiddelen) of een koelstap (bij vetgebaseerde bindmiddelen). Het moment waarop wordt gedroogd of gekoeld, de snelheid waarmee wordt gedroogd of gekoeld en de mate van droging en koeling beïnvloeden in sterke mate de kwaliteit van het agglomeraat en moeten daarom worden bepaald met het oog op de uiteindelijke toepassing van het product.

Ing. Berthram Mak
Hosokawa Micron B.V.

DUURZAME POEDERVERWERKINGSSYSTEMEN

Hosokawa Micron B.V. is ISO 14001-gecertificeerd. Dit betekent dat wij in onze bedrijfsvoering voortdurend aandacht besteden aan het beheersen en verbeteren van onze prestaties op milieugebied. Zo kunnen we voldoen aan de wet- en regelgeving en milieurisico's beheersen. Daarnaast streven we naar een permanente verbetering van de milieuprestaties binnen onze organisatie.

Lees meer