Poederklontering

1. Wat is poederklontering?

Heeft u last van poederklontering?

Poederklontering, soms ook poederagglomeratie genoemd, is de fysieke transformatie van een bulkpoeder van een vrije stromende toestand naar een gedeeltelijke of totale verstijving, met verschillende gradaties van ernst. De klontering kan zwak zijn, waarbij het poeder in latere processtappen weer verbroken wordt (wat minder problematisch is), of veel harder, waarbij de klonten persistent zijn en operationele problemen in fabrieken veroorzaken, of zelfs klachten van consumenten als het materiaal verpakt is voor verkoop. Klontering komt voor bij allerlei poeders, mits de omstandigheden gunstig zijn, zoals bij suiker, zouten of wasmiddelen.

Het gehele bulkpoeder kan klonteren of slechts gedeeltelijk, met willekeurige klonten. In elk geval houdt een fysisch fenomeen (van uiteenlopende aard) de ooit vrij stromende poederdeeltjes bij elkaar. Het doel van deze pagina is om te onderzoeken wat de hoofdredenen kunnen zijn voor poederagglomeratie en wat er kan worden gedaan om dit probleem op te lossen.

Let op: er bestaan andere stroomproblemen met verschillende symptomen, die minder vaak voorkomen en niet in deze pagina worden behandeld. Een voorbeeld hiervan is "flushing", wat eigenlijk het tegenovergestelde is van de hierboven genoemde problemen: de fluidisatie van het poeder resulteert in een oncontroleerbare stroom uit de silo.

2. Hoofdredenen voor poederklontering?

Waarom klontert poeder? Analyse van de belangrijkste oorzaken van klontering in poeders

Er zijn vele mogelijke hoofdredenen voor het klonteren van poeders [Zafar], die mechanisch, chemisch, plastisch-vloeibaar of elektrisch van aard kunnen zijn. Binnen elke categorie zijn er talloze fenomenen die in verschillende mate tot poederklontering kunnen leiden, maar de belangrijkste fenomenen in de industrie zijn hieronder opgesomd.

2.1 Vaste bruggen

De sterkste verbinding tussen deeltjes, die leidt tot een zeer persistente klontering, is de vorming van een vaste brug tussen deeltjes. Bij dit fenomeen versmelten de deeltjes eigenlijk, wat betekent dat de klont niet langer bestaat uit individuele, los verbonden deeltjes, maar eigenlijk één enkel deeltje vormt.

Dergelijke vaste bruggen kunnen ontstaan door mechanische interactie tussen deeltjes: de deeltjes worden blootgesteld aan spanning, lang genoeg om een vaste binding te vormen. Er wordt echter gemeld dat een dergelijke binding vrij zwak is.

Een sterkere verbinding kan ontstaan door verdamping van een oplosmiddel. Als een oplosmiddel in voldoende hoge hoeveelheden aanwezig is om een deel van het materiaal op te lossen en bruggen tussen deeltjes te vormen, zal het opgeloste vaste materiaal na verdamping tussen de deeltjes achterblijven en een vaste binding creëren.

2.2 Vloeistofbruggen

Vloeistofbruggen zijn een van de meest voorkomende oorzaken van poederklontering en een van de meest intuïtief begrepen fenomenen, omdat dit vaak water (vochtigheid) betreft. Bij deze vorm van klontering is er vloeistof aanwezig op het oppervlak van het poeder. Deze vult eerst ^{een deel van de} porositeit, maar boven een bepaalde drempel kunnen zich bruggen tussen de deeltjes vormen. Deze bruggen houden de deeltjes bij elkaar en vormen een klont. Dit type brug tussen deeltjes is niet bijzonder sterk en kan alleen optreden als de deeltjes klein genoeg zijn en de hoeveelheid vloeistof groot genoeg is.

Ter illustratie vermeldt [Zafar] dat de capillaire kracht, die de sterkte van de vloeistofbrug bepaalt, kan worden berekend voor deeltjes < 1 mm in diameter, terwijl [Modugno] voor lactosedeeltjes een drempelwaarde aangeeft van d50 < 400 micron en/of een watergehalte > 3%.

2.3 Glasovergang

De glasovergang is een fenomeen dat optreedt bij amorfe materialen. Boven een bepaalde temperatuur, de glasovergangstemperatuur (Tg), zal het materiaal verzachten, plakkerig worden en daardoor neigen tot klonteren. Het is belangrijk op te merken dat de glasovergangstemperatuur sterk wordt beïnvloed door de vochtigheid van het materiaal.Water fungeert namelijk als weekmaker, wat betekent dat het de glasovergangstemperatuur verlaagt.

Voor amorfe materialen is het belangrijk om de glasovergangstemperatuur als functie van het vochtgehalte te bepalen. Dit stelt u in staat om na te gaan bij welke vochtigheid de glasovergangstemperatuur onder de proces- of opslagtemperatuur kan komen. In dat geval zal het materiaal verzachten en beginnen te klonteren.

2.4 Metingen

Sorptie-isothermen, schuifcelmetingen en differentiële scannende calorimetrie (DSC) kunnen worden gebruikt om de hoofdreden voor klontering te bevestigen, de mate van klontering te meten en specificaties op te stellen voor bedrijfsparameters waarbij geen klontering optreedt.

• Sorptie-isotherm: deze meting maakt het mogelijk om het vochtgehalte van een poeder te bepalen als functie van de wateractiviteit (= Relatieve Vochtigheid). De vorm van de isotherm kan al informatie geven over de mechanismen die een rol spelen bij klontering (bijvoorbeeld kan deze capillaire condensatie aantonen, een teken van de vorming van vloeistofbruggen).
• Schuifcellen / poederreometer : deze instrumenten kunnen helpen bepalen hoe ernstig de klontering is (is er veel schuifkracht nodig om de klont te breken) en kunnen ook informatie geven over de kinetiek van klontering (bijvoorbeeld kan een monster na verschillende blootstellingstijden aan vocht, belasting, temperatuur, etc. worden gemeten).
• Differentiële Scannende Calorimetrie (DSC): deze meting is relevant voor materialen die klonteren door het overschrijden van hun glasovergangstemperatuur. De Tg kan vervolgens bij verschillende vochtigheidsgraden (vochtgehalte) worden gemeten, en deze gegevens kunnen worden gekoppeld aan de sorptie-isotherm om de variatie van de Tg als functie van de relatieve vochtigheid te bepalen. Dit helpt bij het controleren of het materiaal risico loopt op klontering onder bepaalde procesomstandigheden waarbij de relatieve vochtigheid en temperatuur bekend zijn.

3. Hoe poederklontering op te lossen?

Oplossingen voor klontering in poeders

Hoe klontering van bulkvaststoffen voorkomen?

De oplossing voor een poederklonteringsprobleem hangt eigenlijk af van het fenomeen dat de klontering van de bulkvaststoffen veroorzaakt. In de praktijk is het voor fabrieksoperators echter moeilijk om snel een dergelijke hoofdoorzaak te identificeren. De volgende oplossingen (voorgesteld door [Zafar]) moeten daarom eerder als richtlijn worden beschouwd. Er moet ofwel een diepgaander onderzoek worden uitgevoerd, of er moeten proeven en fouten worden getest om een effectieve oplossing voor poederklontering te vinden.

• Gebruik een minder fijn product / minder fijnstof in de PSD (zoals hierboven vermeld, zijn kleine deeltjes gevoeliger voor klontering dan grotere)
• Verminder het vochtgehalte (dit voorkomt de vorming van vloeistofbruggen, vaste bruggen als het water een deel van het product oplost voordat het verdampt, en verlaagt de glasovergangstemperatuur van bepaalde materialen niet)
• Verwijder de belangrijkste klonteringsveroorzaker uit de samenstelling
• Vermijd temperatuur- en vochtigheidscycli (dit voorkomt de vorming van vloeistofbruggen, vaste bruggen als het water een deel van het product oplost voordat het verdampt, en verlaagt de glasovergangstemperatuur van bepaalde materialen niet)
• Verminder de consolidatiedruk, wat vaak een verergerende factor is
• Voeg een additief toe, meestal een vloeistofmiddel dat ook anticaking-activiteit biedt: dergelijke additieven kunnen bijvoorbeeld vocht opnemen of contact tussen deeltjes voorkomen door zich ertussen te plaatsen.

Een specifiek geval voor additieven is bij spuitdroging: de toevoeging van een component met een hoog moleculair gewicht (zoals maltodextrine) helpt de glasovergangstemperatuur (Tg) van het gespoten component te verhogen.

Als het niet mogelijk is om klontering van bulkpoeder te voorkomen, kan men nadenken over het mitigeren van de effecten van klontering in het proces. Enkele mogelijkheden zijn [Johanson]:

• Verkort de opslagtijd: klontering is geen onmiddellijk fenomeen; het kost tijd (zeer variabel, afhankelijk van het materiaal en de betrokken mechanismen). Het is dus mogelijk om het risico op klontering te verminderen door ervoor te zorgen dat het materiaal niet te lang in een trechter blijft zitten.
• Vermijd dode zones in trechters : massa-stroom trechters zijn minder gevoelig voor klontering dan trechterstroom, hoewel dit mogelijk niet voldoende is om klontering volledig te voorkomen.
• In sommige gevallen, voor materialen waarvan het klonteringsmechanisme gerelateerd is aan vochtigheid, is het mogelijk om de binnenkant van een silo te conditioneren met droge lucht om te voorkomen dat water een activiteit bereikt die voldoende is om vaste of vloeistofbruggen te vormen, of om de Tg te verlagen. In het geval van vaste bruggen en invloed op de Tg kan dit worden gecombineerd met temperatuurregeling, bijvoorbeeld door de silo te isoleren, waardoor temperatuur- en vochtigheidscycli worden vermeden.
• Als de klontering begint maar niet leidt tot een hard materiaal, kunnen sommige ontladingshulpmiddelen zoals fluidisatieplaten of trillende bodems helpen om de benodigde schuifsnelheid te overwinnen om de klonten te breken en de productstroom te bevorderen.

Bron

[Zafar] Een review van bulkpoederklontering, Zafar et al, 2017, Powder Technology
[Johanson] Begrip en oplossing van materiaalklonteringsproblemen in droge bulkopslagvaten, PBE, 2014