Kiến thức Silverson

Nguyên lý và công nghệ

Cơ chế khuấy trộn cắt cao rotor/stator

Khác với cánh khuấy thông thường chủ yếu tạo dòng tuần hoàn, máy khuấy cắt cao (high shear) tập trung năng lượng vào một vùng rất nhỏ là đầu khuấy (workhead) gồm rotor quay tốc độ cao bên trong một stator đục lỗ. Mỗi chu kỳ trộn diễn ra theo ba giai đoạn:

• Hút: rotor quay nhanh tạo lực hút mạnh, kéo cả chất lỏng và chất rắn vào tâm đầu khuấy.
• Nghiền cơ học: lực ly tâm đẩy vật liệu ra ngoài, nơi chúng bị nghiền trong khe hở được gia công chính xác giữa đầu cánh rotor và thành trong của stator.
• Cắt thủy lực: vật liệu bị ép qua các lỗ của stator với vận tốc cao, chịu lực cắt thủy lực mạnh rồi phóng ra khối dung dịch; vật liệu mới liên tục được hút vào thay thế.

Mức độ cắt phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ đầu cánh rotor (tip speed), độ hẹp của khe rotor–stator, hình dạng lỗ stator và số lần vật liệu đi qua vùng cắt. Vì dòng vật liệu thoát ra theo phương ngang (hướng kính) và được hút trở lại liên tục, mặt thoáng ít bị xáo trộn nên hạn chế cuốn khí vào sản phẩm. Theo Silverson, nhũ tương thông thường đạt cỡ giọt vài micromet, và với một số công thức có thể xuống khoảng 0,5 µm mà không cần máy đồng hóa áp suất cao.

Lựa chọn đầu khuấy và lưới stator

Đầu khuấy và lưới thay nhanh được, nên một máy có thể chuyển giữa nhiều công đoạn:

Đầu khuấy / lưới	Đặc điểm	Công việc phù hợp
General Purpose Disintegrating Head	Lưu lượng qua đầu lớn nhất	Pha trộn chất lỏng có độ nhớt giống hoặc khác xa nhau, phá vỡ chất rắn và bán rắn
Slotted Disintegrating Head	Rãnh dọc	Phá vỡ vật liệu dạng sợi (mô động, thực vật), hòa tan vật liệu đàn hồi như cao su, polymer
Square Hole High Shear Screen	Lỗ vuông, dung sai trong rất nhỏ, tốc độ cắt rất cao	Giảm nhanh kích thước hạt rắn tan và không tan, nhũ tương, gel, chất làm đặc, huyền phù keo mịn
Standard Emulsor Screen (fine/medium)	Lỗ tròn nhỏ	Hệ lỏng – lỏng, đặc biệt là nhũ tương

Với máy in-line, có thể dùng đầu nhiều tầng (multistage) ghép stator trong và ngoài khác loại (ví dụ trong là General Purpose, ngoài là Slotted) để tăng số lần cắt mỗi vòng quay, rút ngắn thời gian và xử lý được nhiều sản phẩm chỉ trong một lần đi qua.

Máy khuấy dạng mẻ (batch)

Máy batch đặt đầu khuấy chìm trong bồn, phù hợp mẻ đến khoảng 400 gallon (khoảng 1.500 lít) tùy độ nhớt; Silverson vẫn chế tạo máy batch theo yêu cầu cho mẻ tới 8.000 gallon. Biến thể hai đầu khuấy ngược chiều (đầu trên đẩy xuống, đầu dưới hút lên) dùng cho hòa tan polymer, sản phẩm nhớt và chất rắn nổi; Abramix dành cho vật liệu mài mòn. Máy nhỏ có thể lắp trên giá nâng thủy lực di động để dùng cho nhiều bồn.

Máy khuấy in-line

Máy in-line lắp trên đường ống, tự bơm (có model đến khoảng 1.100 gallon/phút) và không để vật liệu đi tắt qua đầu khuấy. Vì năng lượng chỉ tập trung vào thể tích nhỏ trong buồng trộn tại mỗi thời điểm, một máy in-line nhỏ có thể xử lý mẻ lớn; trên ngưỡng khoảng 400 gallon, in-line thường hiệu quả và kinh tế hơn batch. Hệ kín với cửa hút ngập không đưa khí vào sản phẩm, rất phù hợp dầu gội, chất tẩy rửa. Dòng HV có rotor bơm riêng giữ lưu lượng cao khi độ nhớt tăng, thường loại bỏ được bơm cấp phụ cho kem, gel, thuốc mỡ, nước sốt. Máy in-line có thể thay thế cả mixer tĩnh và bơm cấp, hoặc lắp sau mixer tĩnh để tinh chỉnh kích thước giọt/hạt.

Máy trộn bột – lỏng

Khác với nhiều hệ dùng chân không hoặc ống venturi để hút bột, Flashmix dùng một máy in-line cải tiến tuần hoàn chất lỏng từ bồn với vận tốc cao rồi “ép” bột vào dòng chất lỏng ngay trong vùng cắt cao. Nhờ đó hệ hoạt động được ở nhiệt độ cao, độ nhớt cao hơn và cho sản phẩm không vón cục. Dải sản phẩm gồm FMX5 phòng thí nghiệm (mẻ khoảng 10 lít), FMX10 (mẻ đến 50 lít), FMX25 (đến 40 lb/phút), FMX50 (đến 130 lb/phút) và FMX75 (đến 500 lb/phút) với phễu cấp được tạo hình để giảm cuốn khí.

Máy lắp đáy bồn (bottom entry)

Máy bottom entry gắn ở đáy hoặc thành bồn, thường phối hợp với cánh khuấy neo/gạt thành tốc độ chậm: máy Silverson đồng hóa cắt cao, cánh neo phân phối sản phẩm đồng đều trong bồn. Cấu hình này là lựa chọn kinh điển cho kem, thuốc mỡ, sản phẩm thực phẩm nhớt; bồn có thể làm việc từ chân không toàn phần đến 10 bar.

Cách chọn thiết bị phù hợp

• Theo quy mô: mẻ nhỏ đến trung bình dùng batch; mẻ lớn, sản xuất liên tục hoặc cần nhiều bồn dùng chung một máy thì chọn in-line.
• Theo độ nhớt: sản phẩm rất nhớt chọn HV in-line hoặc bottom entry kết hợp cánh neo; sản phẩm nhạy khí chọn in-line kín.
• Theo lượng bột: nhiều bột hoặc bột khó phân tán (gum, carbomer, CMC, sữa bột) chọn Flashmix; lượng nhỏ có thể dùng batch hoặc in-line với phễu.
• Theo yêu cầu vệ sinh: thực phẩm, dược phẩm chọn phiên bản vệ sinh/siêu vệ sinh, thiết kế CIP/SIP, phần tiếp xúc sản phẩm inox 316L; môi trường dễ cháy nổ chọn động cơ chống cháy nổ ATEX.
• Thử trước khi mua: Silverson duy trì chính sách thử máy, có trung tâm thử nghiệm và máy demo để khách hàng kiểm chứng bằng nguyên liệu thật.

Mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm đến sản xuất

Đặc tính trộn của máy rotor/stator phức tạp và không có một công thức đơn lẻ nào bảo đảm phóng to chính xác; tốc độ đầu cánh, thiết kế đầu khuấy, công suất, tần suất luân chuyển thể tích và lưu biến của chất lỏng đều ảnh hưởng tới kết quả. Cách làm hiệu quả nhất là dùng máy phòng thí nghiệm có hình học và dải tốc độ đầu cánh, tốc độ cắt tương đương máy sản xuất. Máy L5M-A (1 ml đến 12 lít, trên 40 đầu khuấy tháo lắp) và máy in-line Verso cỡ pilot có đồng hồ tốc độ, ampe kế và hẹn giờ giúp ghi lại thông số để dự đoán hiệu năng máy lớn. Khi phóng to cần giữ cùng loại đầu khuấy và lưới, so sánh theo tốc độ đầu cánh và số lần luân chuyển mẻ, đồng thời chú ý thứ tự nạp liệu vốn ít quan trọng ở quy mô nhỏ nhưng quyết định ở quy mô lớn.

Vận hành và bảo trì

• Thứ tự nạp liệu: thêm bột vào chất lỏng nhanh và có kiểm soát (không rắc từ từ như với cánh khuấy thường); cho gum, chất làm đặc vào sau cùng khi các bột khác đã phân tán; với hai chất lỏng khác độ nhớt, nạp chất có độ nhớt thấp trước.
• Nhũ tương: đưa pha phân tán vào đúng vị trí, với hệ in-line nên đưa ngay trước máy để tạo nhũ tức thì.
• Giảm kích thước hạt: nghiền bột trong lượng chất lỏng nhỏ nhất có thể rồi mới pha loãng; máy Silverson có thể dùng làm tiền trộn cho máy nghiền bi hoặc máy đồng hóa áp suất cao để tăng năng suất.
• Khe rotor–stator: mài mòn làm khe rộng ra và giảm hiệu quả cắt; nên kiểm tra định kỳ và chỉ dùng phụ tùng chính hãng vì máy được chế tạo theo dung sai rất chặt.
• Phớt trục và vệ sinh: chọn phớt môi, phớt cơ khí đơn hoặc kép theo sản phẩm; tuân thủ quy trình CIP và kiểm tra phớt định kỳ.