¿Cómo se planifica un escalado del centro de ensayos a la producción para gránulos alimentarios instantáneos, incluida la evaluación de riesgos?
El escalado de los granulados instantáneos alimentarios describe la transferencia a escala de un procedimiento optimizado en el laboratorio o en el centro de ensayos a una instalación de producción industrial. El objetivo es reproducir de forma robusta y reproducible en la escala industrial las propiedades de producto alcanzadas, como el comportamiento de rehidratación, la densidad aparente, la distribución granulométrica, la solubilidad y las características sensoriales.
El punto de partida es la base de datos del centro de ensayos
La base de todo escalado es un conjunto de datos del centro de ensayos completamente caracterizado. Para ello se registran y se documentan de forma sistemática las propiedades de las materias primas, los parámetros de proceso, las magnitudes objetivo y los parámetros de proceso críticos.
Entre las especificaciones relevantes de las materias primas figuran el contenido de humedad, la distribución granulométrica, el comportamiento de flujo, la solubilidad y las propiedades funcionales como el contenido de proteína, el contenido de grasa o la estructura del almidón. Sobre esa base, las condiciones marco de ingeniería en el centro de ensayos se eligen de modo que se acerquen lo más posible a la producción posterior.
Estrategia de escalado y criterios de semejanza
La planificación se realiza de forma específica para cada tipo de procedimiento y se basa en consideraciones de semejanza. La semejanza geométrica, cinemática y energética son en ello las magnitudes guía centrales.
Las magnitudes de escalado importantes son, por ejemplo, el grado de llenado, la geometría de la herramienta, la velocidad periférica, la aportación de energía, la tasa de pulverización y la conducción del aire. Idealmente, el escalado se realiza por etapas, del laboratorio al centro de ensayos y de ahí a la producción, para reconocer pronto las no linealidades y los efectos del aparato.
Particularidades físicas en el escalado
En la escala mayor, los procesos de mezclado y de granulación se comportan con frecuencia de forma no lineal. Los cambios en la transmisión de calor y de materia, en el comportamiento de mezclado, así como en la conducción de la humedad y del aire, pueden provocar puntos calientes, gradientes de humedad, formación de polvo o una estructura de granulado insuficiente.
Precisamente en los granulados instantáneos alimentarios son decisivos la morfología de las partículas, la porosidad, la densidad y la humectabilidad. Incluso pequeños cambios en la aportación de energía o en el secado pueden influir notablemente en la rehidratación, en la solubilidad y en la calidad sensorial.
Evaluación de riesgos
Para la evaluación estructurada de riesgos se emplean métodos normalizados como el FMEA, el HACCP, el análisis de Ishikawa y los enfoques QbD. Con ellos pueden identificarse y priorizarse tempranamente los posibles fallos, como un secado insuficiente, una granulación deficiente, unas proporciones de finos elevadas, el arrastre de alérgenos o los riesgos de limpieza.
Planificación de los ensayos y analítica de procesos
Para respaldar el escalado se realizan series de ensayos sistemáticas. A ellas pertenecen las variaciones definidas del grado de llenado, de la velocidad de giro, de la velocidad periférica, de la aportación de energía o de la duración del proceso, así como la documentación de la calidad de producto resultante.
Los resultados se evalúan y se documentan sin lagunas. Si se desea, pueden integrarse estrategias adicionales de medición y de evaluación, para definir de forma fiable los límites del proceso y la posterior ventana de servicio.
Cualificación y transferencia a la producción
Tras la evaluación técnica sigue la transferencia a la instalación de destino. Como las instalaciones de ensayo y de producción están dimensionadas idealmente con principios de ingeniería semejantes y con tamaños graduados, los parámetros del centro de ensayos pueden transferirse con frecuencia bien a la escala de producción.
Las hipótesis relevantes para el escalado deberían asegurarse, sin embargo, siempre mediante ensayos de validación en la escala mayor. Eso es importante para la posterior decisión de inversión, porque así pueden evaluarse de forma realista y previa la calidad del producto, la rentabilidad y los riesgos técnicos.
Fabricación y ciclo de vida
La fabricación de la instalación de producción se realiza a continuación sobre la base de los conocimientos obtenidos en el centro de ensayos. Tras la puesta en marcha, las inspecciones, el mantenimiento preventivo y la disponibilidad de repuestos siguen siendo componentes esenciales para asegurar la estabilidad del proceso a lo largo de todo el ciclo de vida.
Así planifica amixon® un programa de ensayos y de escalado en el centro de ensayos
Definición de objetivos antes del primer ensayo
Al principio están los criterios de aceptación del explotador, es decir la calidad de mezcla exigida, el grado de vaciado, las exigencias de protección, la franja de tamaños de lote y el tiempo de ciclo. Los expertos de amixon® traducen estos objetivos a un programa de ensayos estructurado en una de las 35 instalaciones de prueba, en el tamaño de construcción que se ajusta a la cantidad de producto disponible.
Variación sistemática de los parámetros
Se varían las magnitudes relevantes para el escalado: el tiempo de mezclado, la velocidad periférica de la herramienta en la ventana de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s, el grado de llenado, así como, si es relevante para el proceso, la tasa de dosificación y el tipo de adición de líquido, por ejemplo mediante lanza o boquilla de dos fluidos, con o sin rotor de corte. Para cada punto de ensayo se toman muestras y se determina la calidad de mezcla, mientras que los grados de vaciado se verifican gravimétricamente.
Transferencia a la escala de producción
Como los mezcladores del centro de ensayos y de producción trabajan con un principio de mezclado idéntico y se escalan a través de la velocidad periférica en lugar de solo a través de la velocidad de giro, los parámetros hallados son en principio bien transferibles. La retícula de tamaños en pasos de 100 litros hasta 50.000 litros permite un dimensionado exacto para el tamaño de lote objetivo sin una ruptura innecesaria de la semejanza.
Mucho puede calcularse, pero no toda pregunta puede resolverse con seguridad solo por cálculo. Para muchos temas, amixon® dispone de valores empíricos a los que puede recurrirse en el proceso de desarrollo. Algunas cuestiones, sin embargo, deben responderse necesariamente de forma experimental, por ejemplo la presión dinámica que se forma en la zona de la herramienta al mezclar granulados instantáneos alimentarios.
Precisamente aquí, una serie de ensayos con lotes de distinto tamaño proporciona conclusiones especialmente fiables. A partir de comprobaciones con 1 litro, 10 litros, 100 litros, 1.000 litros y 3.000 litros pueden obtenerse deducciones muy precisas para el escalado. Así puede predecirse también con mucha más seguridad el comportamiento en un lote de 10 m³.
La documentación como base de la inversión
Los ensayos se realizan, se evalúan y se documentan conjuntamente. El informe de ensayo confirma los parámetros de proceso en condiciones reales y designa el aparato óptimo. Con ello, la calidad de mezcla objetivo, los grados de vaciado y los tiempos de ciclo se asumen de forma fiable en la especificación de la instalación, y los riesgos se despejan idealmente antes de la inversión, en lugar de descubrirse después.
Para los alimentos instantáneos, los sistemas de amixon® están acreditados en la práctica, por ejemplo los mezcladores de doble eje con limpieza automática en húmedo al cambiar entre salado y dulce, el KoneSlid® para productos frágiles secados por atomización y aglomerados, así como el RMG para granulados con poco polvo y de rápida disolución.
La fabricación en Paderborn como fundamento de la calidad
amixon® desarrolla y fabrica exclusivamente en la planta de Paderborn, con un elevado grado de integración de fabricación y con todos los componentes procedentes de Alemania. Como empresa cualificada en soldadura certificada con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única sobre la base de las URS del explotador, y el control de calidad permanece íntegramente en la propia casa. Esta soberanía de fabricación asegura al mismo tiempo el suministro a largo plazo, ya que cada componente puede volver a fabricarse de forma reproducible incluso décadas después.
Servicio a lo largo de todo el ciclo de vida
Tras la puesta en marcha, amixon® permanece al lado del explotador. Las inspecciones periódicas y el mantenimiento preventivo aseguran la disponibilidad, si se desea complementados con mantenimiento predictivo. Determinadas piezas de desgaste se suministran ya con la primera entrega, la mayoría de los repuestos se almacenan en la sede de Paderborn y muchos otros en los puntos de servicio de Japón y los Estados Unidos, de modo que sigue siendo posible un servicio de repuestos de por vida, incluso cuando los proveedores originales dejan de existir. Muchas máquinas de amixon® llevan más de 30 años en servicio diario; la modernización y el reequipamiento las mantienen al nivel del estado de la técnica.