Low shear wet agglomeration of mineral and metallic powders

Sin dall’inizio degli anni '60, il processo di accrescimento delle dimensioni delle particelle attraverso l’agglomerazione ad umido è stato considerato una delle tecniche maggiormente impiegate per trasformare le polveri fini in granuli strutturati di determinate proprietà chimico-fisiche. L’agglomerazione è un processo comune in vari settori industriali come ad esempio in quello farmaceutico (propedeutico alla realizzazione di varie forme farmaceutiche), nel settore agricolo (fertilizzanti e diserbanti), in quello alimentare e nell’industria dei detergenti (Iveson et al., 2001). L’importanza di tale processo è testimoniato dal largo impiego in diversi settori industriali e dalla presenza di materiali granulari sia nelle materie prime che nei prodotti intermedi e finiti. Tuttavia, nonostante l’uso diffuso, l’importanza dal punto di vista economico e i risultati di quasi cinquant’anni di ricerche, il processo di agglomerazione è rimasto nella pratica più un’arte che una scienza. Il processo di agglomerazione ad umido permette di trasformare una miscela di polveri fini in un agglomerato strutturato avente dimensioni maggiori rispetto alle particelle di partenza (formulazione), migliori proprietà di scorrevolezza e potenzialmente meno soggetto al fenomeno della segregazione dei diversi costituenti. Tale operazione richiede l’aggiunta di un legante liquido e l’imposizione di un energico mescolamento attraverso l’impiego di un agitatore primario (impeller) e di un agitatore secondario (chopper). Il liquido bagnante consente di creare dei ponti di liquido tra le particelle primarie attraverso l’instaurarsi di forze viscose e capillari. Nonostante l’importanza e l’utilizzo diffuso di questa tecnica in molteplici settori industriali non è ancora possibile correlare univocamente il processo di granulazione (con le sue variabili operative e formulative) alla struttura dei granuli finali. La granulazione umida ad alto shear non sempre garantisce le proprietà fisiche dei granuli desiderate e questo può costituire una limitazione importante in settori come quello farmaceutico, dove il controllo di qualità è un fattore di primaria importanza. Negli ultimi decenni tuttavia ci sono stati importanti progressi nella comprensione dei meccanismi di agglomerazione. Non è ancora possibile predire quantitativamente le caratteristiche finali del granulo, ma gli effetti qualitativi di numerosi parametri di processo sono noti. La maggior parte della letteratura è incentrata sull’agglomerazione di polveri farmaceutiche (cellulosa microcristallina, lattosio, carbonato di calcio) con leganti polimerici, quali ad esempio l’idrossipropilcellulosa (HPC), il polivinilpirolidone (PVP) ed il polietilenglicole (PEG) in miscelatori ad alto shear. Per quanto riguarda le polveri minerali e metalliche, allo stato attuale non ci sono studi che riescano a correlare relative le proprietà formulative (viscosità del legante, bagnabilità della polvere) e le variabili di processo (intensità dell’agitazione, tempo di granulazione) alle caratteristiche finali dell’agglomerato. Inoltre vi sono informazioni limitate sulla granulazione ad umido a basso shear. In questo campo è quindi evidente la necessità di ulteriori ricerche e ciò rappresenta la motivazione per la parte principale del presente lavoro. Un ulteriore tematica che viene affrontata in questo progetto di ricerca è la segregazione delle miscele multicomponente, essendo l’agglomerazione una tecnica in grado di ridurre e contrastare questo fenomeno. In particolare nell’industria farmaceutica la possibilità di impedire la segregazione dei diversi costituenti consente di ottenere un elevato grado di omogeneità spaziale del principio attivo incapsulato nella forma farmaceutica. Inoltre, non solo il principio attivo è potenzialmente soggetto al fenomeno della segregazione, ma anche i diversi eccipienti sono sensibili a tale fenomeno. Attraverso un processo di granulazione è possibile ottenere dei granuli che, presentando dimensioni e composizione chimica simili, sono meno soggetti alla segregazione. La presente ricerca riguarda principalmente l’agglomerazione ad umido a basso shear di polveri metalliche a minerali. In particolare è presentato il processo di agglomerazione adottato nel processo industriale di produzione di fili animati per la saldatura ad arco. Lo scopo principale è approfondire la conoscenza sul ruolo delle proprietà formulative (composizione della formulazione, distribuzione granulometrica, viscosità e tensione superficiale del legante) e dei parametri di processo (velocità di miscelazione, tempo di agglomerazione) nel determinare le caratteristiche del prodotto finale. Con l’obiettivo di approfondire la struttura interna dei granuli, è’ stato inoltre studiato un particolare tipo di granulazione detto seeded granulation attraverso un software dedicato alla simulazione di sistemi particellari e basato sul metodo agli elementi discreti (Discrete Element Modelling, DEM). Infine, è stata sviluppata e caratterizzata una sonda in grado di campionare materiali granulari coesivi superando i limiti dei dispositivi attualmente impiegati. Attraverso questa sonda è stato possibile inoltre valutare la composizione dei granuli formati nel processo di agglomerazione delle polveri minerali e metalliche ed evidenziare la presenza di segregazione. Le attività di ricerca si sono svolte principalmente presso: - il Dipartimento di Principi e Impianti Ingegneria Chimica “I. Sorgato”, Università degli Studi di Padova, Padova (Italia); - Trafilerie di Cittadella, Fileur®, R&D, Cittadella (Italia); - Institute of Particle Science and Engineering, University of Leeds, Leeds (UK). I risultati di tale ricerca sono riassunti nei seguenti quattro capitoli: - nel Capitolo 1 si descrivono brevemente sia i meccanismi e le fasi di un processo di agglomerazione che le tecniche per valutare la bagnabilità delle polveri. Si introducono inoltre i diversi meccanismi di segregazione che caratterizzano i materiali granulari. - Nel Capitolo 2 è proposto lo studio della bagnabilità delle polveri minerali e metalliche, ed in particolare vengono discussi l’applicabilità e i limiti del metodo della goccia sessile e della tecnica di Washburn. - Lo studio sperimentale dell’agglomerazione di polveri minerali e metalliche in un impianto pilota a basso shear viene descritto nel Capitolo 3. - Il Capitolo 4 riporta i risultati della simulazione della seeded granulation attraverso la tecnica agli elementi discreti (DEM). - Nel Capitolo 5 viene caratterizzata infine una nuova sonda per la valutazione dell’uniformità di composizione in una miscela di polveri. - Le conclusioni e le prospettive future sono esposte nel Capitolo 6.