¿Qué errores se cometen con frecuencia respecto al grado de llenado de un mezclador?
El grado de llenado se trata a menudo como una cifra fija de la máquina, aunque en realidad es un parámetro de proceso central. Demasiado poco o demasiado producto en el mezclador puede influir considerablemente en la calidad de mezcla, el tiempo de mezclado, la integridad de las partículas, la segregación, la distribución de líquido, el vaciado y el esfuerzo de limpieza. Por ello, el grado de llenado adecuado debe determinarse conjuntamente para el producto, la geometría del mezclador, la herramienta, la velocidad de giro y el objetivo del proceso.
Sobrellenado excesivo
Un error habitual es llenar el mezclador hasta cerca de su volumen geométrico total para aumentar el rendimiento por lote o reducir el tiempo de ciclo. Con ello suele faltar el espacio libre necesario para el movimiento del producto. El material a mezclar no puede expandirse, recircular ni circular de forma suficiente. Las consecuencias son tiempos de mezclado más largos, zonas poco movidas, homogeneidad variable y, en casos extremos, una compactación local o una sobrecarga del accionamiento.
En productos sensibles, además, el sobrellenado puede aumentar la presión sobre las capas inferiores de producto. Los copos, aglomerados, gránulos y otros componentes sensibles a la rotura pueden abrasionarse o romperse más intensamente. En formulaciones pegajosas, húmedas o con alto contenido graso, el sobrellenado también puede favorecer las adherencias y una distribución de líquido desigual. Los niveles de llenado más altos pueden alargar el tiempo de mezclado; al mismo tiempo, el grado de llenado y el patrón de carga influyen en el riesgo de segregación.
Llenado insuficiente
Un grado de llenado demasiado bajo se elige a menudo porque, en principio, crea un amplio espacio de movimiento. Sin embargo, si la altura de llenado es demasiado baja, las herramientas de mezclado dejan de abarcar todo el volumen de producto. Pueden formarse zonas que apenas se mueven, mientras que otras fracciones de producto se tratan repetida y comparativamente de forma intensa.
En mezcladores de caída libre y de volteo, muy poco producto puede provocar alturas de caída mayores y una energía de impacto más alta. En mezcladores de herramientas puede producirse un aumento de la velocidad relativa, la abrasión, la rotura de partículas o la formación de polvo. Esto es especialmente crítico en cereales, gránulos frágiles, partículas recubiertas y aglomerados sensibles. El infrallenado puede reducir el rendimiento de mezclado y aumentar la variabilidad entre lotes.
Usar peso en lugar de volumen
Un error de planificación frecuente es diseñar el lote exclusivamente en kilogramos. Sin embargo, el grado de llenado es una magnitud volumétrica. Las variaciones de densidad aparente, humedad, temperatura, proporción de aire, granulometría o receta pueden hacer que la misma masa ocupe un volumen notablemente distinto.
Esto resulta especialmente problemático en productos ligeros y voluminosos, como copos, polvos instantáneos, fibras o polvos aglomerados. Un lote que parece correcto por peso puede, en realidad, sobrellenar el mezclador. A la inversa, un producto pesado puede, con la misma masa, quedar claramente por debajo del rango de trabajo necesario. Por ello, para determinar el grado de llenado debe utilizarse la densidad aparente real de la mezcla de producto en las condiciones de proceso reales.
Modificar el grado de llenado de forma aislada
El grado de llenado a veces se modifica sin adaptar la velocidad de giro, el tiempo de mezclado, la configuración de las herramientas, el perfil de dosificación o la adición de líquido. Esto suele provocar variaciones inexplicables. Según el principio de mezclado, un grado de llenado más alto requiere un tiempo de mezclado o una velocidad de giro adaptados; un llenado más bajo puede requerir una velocidad de herramienta menor para limitar la rotura y la abrasión.
La adición de componentes líquidos también debe coordinarse con el grado de llenado. Con un llenado alto, la superficie de producto disponible por unidad de tiempo es menor; la niebla de pulverización no alcanza todas las partículas por igual. Con un llenado bajo, el líquido puede concentrarse en pocas zonas o adherirse a la pared y a la herramienta. Por ello, el grado de llenado, la tasa de pulverización, el tamaño de gota, la geometría de la boquilla y el movimiento del producto deben desarrollarse como una ventana de proceso conjunta.
Ignorar el rango de trabajo del fabricante
Todo mezclador tiene un rango de trabajo previsto. Este se basa en la geometría de la cámara de mezclado, la forma de la herramienta, la profundidad de inserción, el órgano de descarga y el principio de mezclado. Un grado de llenado fuera de este rango puede provocar, incluso con el mismo producto, zonas muertas, una recirculación insuficiente, una solicitación mecánica alta o un vaciado inestable.
El rango de trabajo del fabricante es un punto de partida razonable, no un sustituto de la validación con el producto. Un grado de llenado optimizado en la práctica puede situarse dentro del rango admisible, pero rara vez es trasladable sin más a otro tipo de mezclador o a otro tamaño constructivo.
Pasar por alto la segregación antes y después del mezclado
Una buena muestra tomada directamente del mezclador no demuestra que el producto siga siendo homogéneo hasta el envasado. La segregación puede producirse ya durante la carga, por diferentes alturas de caída, densidades aparentes, tamaños de partícula u orden de los lotes. También puede aparecer durante el vaciado, en canaletas, transportadores, silos y durante el envasado.
Un grado de llenado desfavorable puede intensificar estos efectos, porque modifica la forma de movimiento del material a granel. Esto es especialmente relevante en mezclas de componentes grandes y pequeños, ligeros y pesados, o de formas diferentes, donde la percolación cobra importancia: los finos pueden desplazarse hacia abajo a través de los huecos entre partículas más grandes. Las diferencias de tamaño de partícula, densidad, forma y cohesión son los principales impulsores de la segregación.
Mezclar demasiado tiempo para compensar errores de llenado
Una reacción frecuente ante muestras de mezcla deficientes es: «Entonces mezclamos más tiempo». Sin embargo, esto rara vez puede corregir por completo un grado de llenado inadecuado. Los tiempos de mezclado más largos suelen provocar, en productos sensibles, abrasión, rotura y polvo adicionales. En mezclas propensas a la segregación, el mezclado excesivo puede incluso volver a empeorar la homogeneidad.
En lugar de aumentar indefinidamente el tiempo de mezclado, debe investigarse si el mezclador está sobrellenado o infrallenado, si ha cambiado la densidad aparente, si la herramienta abarca todo el lote y si la carga y el vaciado ya segregan el producto antes o después del mezclado.
No realizar ensayos con producto original
El mayor error es determinar un grado de llenado a partir de valores empíricos, de otra receta o únicamente en función del volumen nominal. Incluso productos comparables pueden comportarse de forma notablemente distinta debido a la densidad aparente, la humedad, el contenido graso, la forma de partícula, el tamaño de grano o el comportamiento de flujo.
Por ello, el grado de llenado debe comprobarse sistemáticamente con producto original representativo. Resulta útil una serie de ensayos con varios grados de llenado, así como velocidad de giro y tiempo de mezclado adaptados. Deben evaluarse la homogeneidad, el tiempo de mezclado, la proporción de finos y de rotura, la densidad aparente, la proporción de polvo, la distribución de líquido, la segregación tras la descarga, el vaciado residual y el tiempo de ciclo. El grado de llenado influye tanto en los procesos de mezclado como en los de segregación y, por ello, debe tratarse como un parámetro de proceso crítico.
Así trabaja amixon® con grados de llenado variables en mezcladores verticales
En cereales sensibles, copos, productos extruidos, clústeres y partículas recubiertas, el grado de llenado es en muchos sistemas de mezclado un parámetro de proceso crítico. En los mezcladores verticales de amixon®, en cambio, la calidad de mezcla puede mantenerse en un rango amplio de grados de llenado, siempre que el producto, la ejecución de la herramienta y los parámetros de operación se adecuen a la tarea. La espiral de mezclado vertical SinConvex® genera un movimiento tridimensional del producto: transporta el material a mezclar hacia arriba en la zona cercana a la pared; en el centro, el producto vuelve a fluir hacia abajo por efecto de la gravedad.
La recirculación sigue al volumen de producto
El rendimiento de transporte de una espiral de mezclado vertical puede describirse de forma aproximada como sigue:
Iv=π/4⋅(D2−d2)⋅φ⋅S⋅n⋅ζ
En esta expresión, Iv es el caudal volumétrico de recirculación de la espiral de mezclado, D es el diámetro exterior y d el diámetro interior de la espiral. φ describe el grado de llenado, S el paso de la espiral, n la frecuencia de giro y ζ un coeficiente de velocidad.
La ecuación muestra que, al aumentar el grado de llenado, el caudal volumétrico recirculado aumenta de forma proporcional. Al mismo tiempo, la cantidad de producto a mezclar también aumenta de forma proporcional. Referido al lote presente, el rendimiento específico de recirculación se mantiene por ello, en principio, constante en condiciones geométricamente comparables. Esto explica por qué el movimiento de mezclado vertical puede seguir siendo similarmente eficaz en un amplio rango de grados de llenado. amixon® describe esta relación, para aparatos geométricamente similares, como base de un rendimiento de mezclado específico independiente del tamaño.
Esto no significa que el grado de llenado deje de tener importancia. Sigue influyendo en el tiempo de mezclado, la columna de producto, el vaciado, la adición de líquido, la solicitación por presión de las partículas sensibles, los espacios de gas disponibles, la descarga y el posible uso de herramientas adicionales. Sin embargo, con la recirculación vertical SinConvex®, no constituye un factor limitante del mismo modo que en principios de mezclado cuya eficacia depende en gran medida de una altura de caída determinada, una superficie de producto libre o una zona de turbulencia formada localmente.
Gran flexibilidad de grado de llenado
Según el fabricante, los mezcladores verticales de doble eje amixon® de la serie HM se describen para grados de llenado de aproximadamente el 10 al 100 por ciento del volumen útil. El mezclador puede operarse con velocidad de giro variable y está previsto para homogeneizar productos secos, húmedos y viscosos con distintos tamaños de partícula, densidades aparentes y propiedades de flujo.
En los mezcladores verticales de un solo eje de la serie VM, según indica el fabricante, la recirculación tridimensional eficaz comienza ya a partir de aproximadamente el 10 por ciento de grado de llenado. Los mezcladores cónicos de la serie AM también cubren, según el producto y la ejecución, amplios rangos de trabajo; amixon® indica grados de llenado de aproximadamente el 5 al 100 por ciento. Sin embargo, para materiales a granel en polvo se requiere un espacio de gas suficiente. Por ello, el grado de llenado máximo realmente utilizable depende del comportamiento de flujo, el volumen de producto, la desaireación, la adición de líquido y la geometría del mezclador.
Para cereales sensibles, esta flexibilidad ofrece ventajas prácticas. Los lotes de receta más pequeños pueden procesarse en el mismo mezclador sin tener que cambiar necesariamente a un aparato de menor tamaño. En variantes estacionales, desarrollos de producto, cambios frecuentes de receta o volúmenes de producción variables, esto puede reducir el tiempo de preparación y la necesidad de capacidades de mezclado adicionales. El movimiento de las partículas se mantiene tridimensional; la intensidad de mezclado se ajusta mediante la ejecución de la herramienta, la velocidad de giro y el tiempo de mezclado, en función de la resistencia a la rotura, el recubrimiento y la homogeneidad deseada.
Protección del producto y límites del proceso
Para cereales sensibles a la rotura, una velocidad de herramienta baja suele ser conveniente para limitar la energía de impacto, fricción y abrasión. El movimiento de transporte vertical puede recircular el producto de forma comparativamente cuidadosa. Sin embargo, no es posible excluir por completo, de forma general, la rotura de copos, la abrasión o los daños en el recubrimiento. Además del mezclado, la carga, la adición de líquido, la descarga, las alturas de caída y la técnica de transporte posterior pueden influir de manera especial en la integridad del producto.
El uso de rotores de corte u otras herramientas adicionales intensivas no suele ser necesario en cereales sensibles. Si se añaden líquidos como aromas, aceites, jarabes o recubrimientos, la técnica de pulverización debe adaptarse al grado de llenado y al movimiento del producto. El tamaño de gota, la tasa de pulverización, la posición de la boquilla, la temperatura del producto y la viscosidad influyen en si se logra una humectación uniforme sin sobrehumectación local ni adherencias.
Los grados de llenado cercanos al límite superior deben comprobarse, especialmente en productos que generan polvo o son ligeros, en cuanto al espacio de desaireación suficiente, la carga segura y el movimiento libre del producto. Del mismo modo, los grados de llenado muy bajos deben garantizar que la espiral de mezclado y la circulación del producto abarquen de forma fiable todo el lote. amixon® recomienda determinar el grado de llenado mínimo de una instalación planificada mediante ensayos de mezclado con producto original.
Diseño basado en ensayos
El diseño concreto debe realizarse con cereales originales. En este proceso se estudian conjuntamente el grado de llenado, la velocidad de giro, el tiempo de mezclado, la ejecución de la herramienta, la carga, la adición de líquido y la descarga. Deben evaluarse la homogeneidad de mezcla, la proporción de rotura y finos, la distribución del recubrimiento, la formación de polvo, la densidad aparente, el comportamiento de flujo, el vaciado residual y la posible segregación tras el proceso de mezclado.
Los ensayos no definen un único grado de llenado óptimo, sino un rango de trabajo admisible y sólido. Así, un mezclador vertical puede emplearse de forma flexible para distintos tamaños de lote sin perder de vista la calidad del producto, la integridad de las partículas y la reproducibilidad del proceso.