Waarom meel zich niet zomaar laat doseren
Over productstroming, schroefvulling en doseernauwkeurigheid in de meelfabriek

Meel lijkt op het eerste gezicht een relatief eenvoudig product om te verwerken. Het is droog, fijn en ogenschijnlijk homogeen. In een productieproces blijkt het echter een veeleisend stortgoed. Verschillen in onder andere deeltjesgrootte, samenstelling, vochtgehalte, verdichting en stortgewicht beïnvloeden hoe een meelsoort vanuit een silo of hopper naar een doseerunit stroomt.

Juist daarom is doseren in een meelfabriek meer dan een schroef met een aandrijving. Een constante en reproduceerbare dosering begint bij het begrijpen van het gedrag van het product.

Verschillende meelstromen, één productspecificatie
Tijdens het maalproces wordt een graankorrel stapsgewijs verkleind en gescheiden. Daarbij kunnen verschillende fracties en meelstromen ontstaan. Afhankelijk van het proces en het gewenste eindproduct kunnen deze afzonderlijk worden opgeslagen en later weer in bepaalde verhoudingen worden samengevoegd. Daarnaast kunnen ingrediënten worden toegevoegd om een meelsoort de gewenste eigenschappen of samenstelling te geven.

Doseren speelt daardoor op verschillende plaatsen in het productieproces een rol. Het kan gaan om relatief grote productstromen, maar ook om aanzienlijk kleinere hoeveelheden die nauwkeurig aan een blend moeten worden toegevoegd. En juist daar ontstaat een belangrijk technisch vraagstuk: hoe zorg je ervoor dat de hoeveelheid die het doseersysteem moet leveren, ook daadwerkelijk en reproduceerbaar in het proces terechtkomt?

Meel stroomt niet altijd hetzelfde
Een belangrijke complicatie is dat meel geen volledig constante poederstroom vormt. Een relatief kleine verandering in producteigenschappen kan al invloed hebben op het stromingsgedrag. Fijne poeders kunnen cohesief zijn, verdichten of zich anders gedragen nadat ze langere tijd in een silo of hopper hebben gestaan. Ook verschillen tussen grondstoffen en productiecharges kunnen van invloed zijn.

Dat merk je vooral bij de uitloop van een silo of voorraadhopper. Het product kan bijvoorbeeld onvoldoende naar beneden zakken, zich boven een uitloop verdichten of een brug vormen. Maar er hoeft niet direct een volledige verstopping te ontstaan om het doseerproces te beïnvloeden. Ook een wisselende toevoer naar de doseerschroef kan al leiden tot fluctuaties in de gedoseerde hoeveelheid. Een doseerschroef kan immers alleen reproduceerbaar doseren wanneer hij ook reproduceerbaar wordt gevuld.

Een kilogram is een kilogram, maar een liter niet altijd
Dat verschil in productgedrag is ook belangrijk bij de keuze tussen volumetrisch en gravimetrisch doseren. Bij volumetrisch doseren transporteert een doseerelement, bijvoorbeeld een schroef, bij een bepaald toerental een bepaald productvolume per tijdseenheid. Wanneer de vulling van de schroef en het stortgewicht van het meel voldoende constant blijven, kan daarmee een stabiele dosering worden bereikt. Maar stel dat dezelfde liter meel door verdichting opeens meer massa bevat. Of dat de schroef door een schommelende producttoevoer niet meer constant gevuld wordt. Het toerental van de doseerschroef kan dan exact hetzelfde zijn, terwijl het aantal kilogrammen per uur verandert. Daarmee ontstaat een belangrijk onderscheid:

Een kilogram meel blijft altijd een kilogram, maar een liter meel vertegenwoordigt niet onder alle omstandigheden dezelfde massa.

Wanneer niet het volume maar de werkelijke hoeveelheid product bepalend is voor de receptuur of productspecificatie, kan gravimetrisch doseren daarom voordelen bieden.

Loss-in-weight: doseren op basis van massa
Bij een loss-in-weight-systeem, afgekort tot LIW, wordt de doseerunit met voorraadhopper als onderdeel, continu gewogen. Tijdens het doseren neemt het totale gewicht van het systeem af. De besturing meet hoe snel dat gewichtsverlies plaatsvindt en vergelijkt dit met de gewenste doseerhoeveelheid, bijvoorbeeld in kilogram per uur. Indien nodig wordt het toerental van de doseerunit automatisch gecorrigeerd.

De doseerbesturing kijkt daarmee niet naar hoeveel volume theoretisch door de schroef wordt verplaatst, maar controleert wat er daadwerkelijk aan massa uit de doseerunit wordt gedoseerd. Dat maakt het mogelijk om variaties in bijvoorbeeld stortgewicht of schroefvulling binnen bepaalde grenzen automatisch te corrigeren.

De schroef moet wel constant gevoed worden
Ook een nauwkeurige gravimetrische regeling begint echter bij een betrouwbare producttoevoer. Wanneer meel onvoldoende vanuit de voorraadhopper naar de doseerschroef stroomt, kan de regeling dat niet onbeperkt corrigeren. De productstroming in de doseerunit moet daarom zo gelijkmatig mogelijk zijn.

Bij de enkel- en dubbelschroefdoseerunits van Kubota Brabender Technologie wordt hiervoor onder andere een roerwerk toegepast. Dit helpt brugvorming tegen te gaan en ondersteunt een gelijkmatige vulling van de schroef over de lengte van de trog.

Het roerwerk heeft daarmee een belangrijke functie in het doseerproces. Het is dus niet alleen bedoeld om het product in beweging te houden, maar vooral om de vulling van de doseerschroef zo constant mogelijk te houden.

Waarom niet iedere doseerschroef hetzelfde is
Vervolgens komt de geometrie van de doseerschroef zelf in beeld. Een universele doseerschroef voor ieder type meel of poeder bestaat niet. Het juiste schroefprofiel hangt samen met het stromingsgedrag van het stortgoed, de gewenste capaciteit, het doseerbereik en de vereiste nauwkeurigheid.

Afhankelijk van de producteigenschappen kunnen bijvoorbeeld spiraal-, blad- of dubbelconcaaf schroeven worden toegepast. Ook uitvoeringen van spiraal- of bladschroef met een progressieve spoed behoren tot de mogelijkheden.

De keuze voor een doseerunit moet daarom worden afgestemd op vragen zoals:

• Hoe gemakkelijk stroomt het product?
• Is het poeder cohesief of juist zeer vrijstromend?
• Heeft het de neiging om te verdichten?
• Hoe gelijkmatig wordt de schroef vanuit de voorraadhopper gevuld?
• Hoe wordt de doseerunit vanuit het bovenliggend systeem nagevuld?
• Welke minimale en maximale doseercapaciteit is nodig?
• Hoe groot moet het regelbereik zijn?
• Welke doseernauwkeurigheid vraagt het proces?

De selectie van een doseerunit begint daarmee eigenlijk niet bij de machine, maar bij het stortgoed.

Product activeren zonder intern roerwerk
Een andere methode om een constante producttoevoer naar de doseerschroef te realiseren, is het FlexWall®-principe van Kubota Brabender Technologie. Hier wordt gebruikgemaakt van een flexibele polyurethaan trog. Aan de buitenzijde bewegen zogenaamde massagepeddels tegen de flexibele trogwand. Door deze beweging wordt het product geactiveerd en richting de doseerschroef gevoerd.

Het materiaal wordt dus in beweging gebracht zonder dat daarvoor een intern roerwerk in de trog nodig is. Dit principe kan interessant zijn voor poeders waarvan de stroming actief ondersteund moet worden. Daarnaast kunnen de productcontactdelen relatief eenvoudig toegankelijk worden gemaakt voor reiniging.

Door de trapeziumvorm van de FlexWall® kunnen bovendien meerdere doseerunits compact naast elkaar rond één centraal invoerpunt worden geplaatst. Dat kan bijvoorbeeld interessant zijn wanneer verschillende productstromen of ingrediënten in één volgende processtap moeten worden samengebracht.

Wat gebeurt er tijdens het navullen?
Bij gravimetrisch loss-in-weight doseren ontstaat nog een interessante regeltechnische uitdaging: de doseerunit moet periodiek worden bijgevuld.

Tijdens het doseren in gravimetrische modus meet het systeem het gewichtsverlies. En tijdens het doseren in navulmodus gebeurt precies het tegenovergestelde: het gewicht neemt in korte tijd sterk toe. Op dat moment kan de regeling de actuele productstroom niet op dezelfde manier uit het gewichtsverlies bepalen. De doseerbesturing schakelt daarom tijdens deze korte navulfase tijdelijk over op een semi-volumetrische regeling. Na het navullen wordt de gewichtsmeting weer stabiel en neemt de gravimetrische modus het proces opnieuw over.

Korte en gecontroleerde navulcycli zijn daarom belangrijk. Bij de LIW-systemen van Kubota Brabender Technologie wordt daarnaast gebruikgemaakt van een zelflerende besturing die het doseergedrag tijdens normaal bedrijf analyseert en deze informatie gebruikt tijdens de semi-volumetrische navulfase. Zo’n ogenschijnlijk klein onderdeel van het proces laat goed zien hoeveel regeltechniek er uiteindelijk achter een constante massastroom schuilgaat.

Hygiënisch ontwerpen voor een droog proces
Omdat meel voor menselijke consumptie wordt verwerkt, is ook de hygiënische uitvoering van doseerapparatuur belangrijk. Daarbij draait Hygienic Design niet alleen om het materiaal waarvan een machine is gemaakt. Ook de constructie bepaalt hoe gemakkelijk productresten kunnen worden verwijderd.

Denk bijvoorbeeld aan gladde oppervlakken, afgeronde overgangen, zo min mogelijk moeilijk bereikbare plaatsen en productcontactdelen die eenvoudig toegankelijk of demonteerbaar zijn. In een droge procesomgeving is dat extra relevant. Meel dat op moeilijk bereikbare plaatsen achterblijft, kan zich ophopen en productwisselingen of reiniging bemoeilijken. Tegelijkertijd wil je bij droge processen het gebruik van vocht waar mogelijk voorkomen.

De genoemde doseersystemen zijn daarom ook leverbaar in uitvoeringen waarbij rekening wordt gehouden met de richtlijnen en uitgangspunten voor Hygienic Design volgens EHEDG, FDA, etc.

De doseeroplossing volgt uit het product
Een betrouwbare meeldosering wordt uiteindelijk niet bepaald door één specifieke doseerunit of één bepaald type schroef. Het is de combinatie van factoren die telt:

producteigenschappen, stromingsgedrag, capaciteit, regelbereik, doseernauwkeurigheid, reinigbaarheid en de plaats van de doseerunit binnen het totale proces.

Een goed stromende hoofdstroom met een relatief hoge capaciteit vraagt een andere aanpak dan een fijn, cohesief poeder dat in een veel kleinere hoeveelheid moet worden toegevoegd.

Daarom begint het selecteren van een doseersysteem bij voorkeur met het onderzoeken van het werkelijke stortgoed en de procescondities. Vanuit die informatie kan vervolgens worden bepaald welk doseerprincipe, welke productactivatie, welk schroefprofiel en welke regeltechniek het beste bij de toepassing passen.

Van producteigenschap naar doseeroplossing
SPS | Solids Process Solutions ondersteunt producenten bij het selecteren en integreren van doseertechniek voor droge stortgoederen. Daarbij kijken we samen met Kubota Brabender Technologie niet alleen naar de gewenste capaciteit, maar juist ook naar het gedrag van het product en de functie van de doseerunit binnen het totale productieproces.

Want bij betrouwbaar doseren begint de oplossing niet bij de doseerunit, maar bij het product dat erdoorheen moet.