¿Cómo planificar un escalado del centro de ensayos a la producción para mezclas de especias manteniendo los tiempos y la calidad de mezcla?
El objetivo de un escalado de mezclas de especias consiste en asegurar la homogeneidad alcanzada en el laboratorio o en el centro de ensayos, los tiempos de mezclado y el tratamiento suave de los ingredientes también con cantidades de material a granel, instalaciones y entornos de proceso claramente mayores.
Las mezclas de especias son especialmente exigentes, ya que contienen componentes con tamaños de partícula y densidades aparentes muy distintos. Son ejemplos la pimienta gruesa y el pimentón fino en polvo, la sal pesada y las hierbas ligeras. A ello se añaden propiedades de flujo y cohesión diferentes, microcomponentes con cantidades de empleo muy pequeñas como los aromas o las vitaminas así como componentes sensibles a la humedad y a la grasa como los aromas y los aceites esenciales. Un escalado puramente volumétrico 1:1 conduce aquí con frecuencia a una sensórica divergente y debe sustituirse por una planificación sistemática del escalado.
Antes de cada escalado se caracterizan las propiedades de material a granel de los componentes individuales y de la mezcla final. A ello pertenecen, por ejemplo, la distribución granulométrica, la densidad aparente y la compactada, el ángulo de talud y el rozamiento con la pared, la humedad residual y la actividad de agua, el contenido de grasa o de aceite y la tendencia a las incrustaciones. En paralelo se documenta el proceso de mezclado consolidado en el centro de ensayos, ya que constituye la referencia para la escala de producción. En ello se documentan, entre otras cosas, el tipo de mezclador, el grado de llenado, la velocidad de giro, el tiempo de mezclado, la aportación de energía y el orden de adición.
Para un comportamiento de mezclado transferible resultan decisivos tres criterios de semejanza:
- semejanza geométrica (mismo principio constructivo, relaciones longitud-diámetro comparables, geometría de herramienta similar)
- semejanza cinemática (conservación de la característica de movimiento del lecho de mezcla, por ejemplo mediante un número de Froude constante para describir la relación entre las fuerzas centrífugas y la gravedad)
- semejanza dinámica (solicitación y aportación de energía por partícula comparables, para evitar la rotura, la abrasión y la pérdida de aroma)
En ello, la velocidad de giro del mezclador de producción debe adaptarse al radio mayor, para que se conserve el régimen de mezclado y la aportación específica de energía se sitúe en el mismo rango. En ello, el número de Froude solo desempeña un papel en los sistemas de mezclado con órgano mezclador apoyado en horizontal.
En el escalado, el mezclador de producción debería ser lo más semejante posible desde el punto de vista geométrico al equipo del centro de ensayos, idealmente con el mismo principio de mezclado en un tamaño mayor. Para las mezclas de especias se han consolidado los tipos de mezclador siguientes:
- mezcladores helicoidales verticales para una mezcla tridimensional a baja velocidad periférica,
- mezcladores cónicos con eje mezclador central para un amplio rango de grado de llenado,
- mezcladores de rejas de arado o de paletas para una elevada calidad de mezcla con grandes diferencias de densidad,
- mezcladores cónicos de tornillo con tornillo de movimiento planetario para un tratamiento especialmente suave de las hojas de hierbas sensibles,
- mezcladores de cinta (ribbon blender) para lotes grandes con tiempos de mezclado más largos, así como
- mezcladores de doble eje para tiempos de mezclado cortos con un tamaño de lote elevado.
Los mezcladores sobrellenados generan zonas muertas y prolongan el tiempo de mezclado, mientras que unos grados de llenado demasiado bajos reducen el rendimiento del rotor de corte, lo que puede repercutir negativamente en la homogeneidad. Al mismo tiempo, a gran escala cambian la presión estática y la relación entre superficie y volumen, lo que influye en las condiciones de rozamiento y en la formación de depósitos, en particular con las mezclas que contienen aceite.
Los componentes sensibles como las hojas de hierbas o los trozos de verdura y de fruta liofilizados reaccionan de forma sensible a una elevada solicitación mecánica. Si la velocidad periférica aumenta demasiado durante el escalado, se incrementan la abrasión y la rotura.
La calidad de mezcla debería registrarse de forma cuantitativa, habitualmente mediante el coeficiente de variación de un componente guía o trazador. En el centro de ensayos se extraen muestras en momentos definidos para obtener una curva de tiempo de mezclado frente a calidad de mezcla y determinar el punto de mezclado óptimo. A escala de producción se realiza además un muestreo en varios puntos de distintas zonas del mezclador, para obtener datos representativos sobre la homogeneidad y evitar un mezclado excesivo. Porque unos tiempos de mezclado demasiado largos pueden favorecer a su vez una segregación por separación o por fuerzas centrífugas.
Igual de importantes son la conducción de la formulación, el orden de adición y la estrategia de dosificación. Los microcomponentes se prediluyen con frecuencia mediante premezclas con una parte de un componente principal, para evitar errores de dosificación y sobreconcentraciones locales. El orden de adición se optimiza de modo que los componentes muy pesados o muy finos no se separen prematuramente. Los componentes de aceite y de aroma se dosifican preferentemente mediante sistemas de pulverización o de inyección, para poder controlar el tamaño de gota, la humectación y la formación de grumos. Al mismo tiempo se controla de forma selectiva la aportación de cizalla, para lograr una buena distribución conservando la estructura.
Muchas desviaciones de calidad se producen solo en los pasos posteriores del proceso. Por eso las alturas de caída deberían minimizarse y los recorridos de transporte mantenerse lo más cortos posible. Además deberían elegirse principios de transporte que no favorezcan la segregación. Idealmente, la descarga de silos y de tolvas se dimensiona para flujo másico. Porque las corrientes de aire pueden transportar de forma selectiva las partículas finas y alterar así la homogeneidad.
A escala de producción hay que vigilar además la aportación específica de energía. Una aportación de energía elevada conduce a un calentamiento y puede perjudicar los aceites aromáticos y los componentes volátiles. Puede producirse condensación en el producto final envasado.
Los principios fundamentales se pueden resumir del modo siguiente:
- elegir un tipo de mezclador geométricamente semejante desde el centro de ensayos hasta la producción,
- conservar en lo posible el régimen de mezclado mediante números característicos adecuados,
- mantener constante el grado de llenado,
- demostrar la calidad de mezcla de forma cuantitativa,
- asegurar la protección del producto mediante una velocidad periférica limitada y una aportación de energía controlada,
- introducir los microcomponentes y los aditivos líquidos con seguridad de proceso,
- comprobar los procesos posteriores en cuanto a riesgos de segregación,
- respaldar el escalado a lo largo de varias etapas de validación.
Así planifica amixon® un programa de ensayos y de escalado en el centro de ensayos
En primer lugar se definen con precisión los objetivos del explotador. A ellos pertenecen la calidad de mezcla exigida, por ejemplo una RSD objetivo, el grado de vaciado, las exigencias de protección del producto como la integridad de las partículas y una aportación de calor limitada, así como el margen de tamaños de lote previsto y el tiempo de ciclo. Las expertas y los expertos de amixon® traducen estos criterios en un programa de ensayos estructurado en una instalación de prueba adecuada. El tamaño constructivo se elige de modo que corresponda a la cantidad de producto disponible.
Los ensayos siguen una variación sistemática de los parámetros. Se varían las magnitudes relevantes para el escalado: el tiempo de mezclado, la velocidad periférica de las herramientas de mezclado en el rango de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s, el grado de llenado así como –si resulta relevante– la tasa de dosificación y el tipo de adición del líquido. Los líquidos se pueden aportar mediante lanzas o boquillas de dos fluidos, con o sin rotor de corte. Para cada punto de ensayo se extraen muestras y se determina la calidad de mezcla. Los grados de vaciado se verifican gravimétricamente. La base es la congruencia de los sistemas de mezclado de amixon® y su frecuencia de recirculación.
El volumen de transporte I_V se describe mediante la geometría y los datos de servicio. Resulta de I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D y d representan el diámetro exterior e interior de la hélice; Φ, el grado de llenado referido al volumen útil; S, el paso de la hélice; n, la frecuencia de giro en revoluciones por segundo; y ζ, el coeficiente de velocidad específico de la herramienta y del producto. De ello se deduce que el volumen completo de la cámara de mezclado queda totalmente atravesado y removido ya después de pocas revoluciones.
Los parámetros determinados se trasladan a la escala de producción. Los mezcladores del centro de ensayos y de producción trabajan con el mismo principio de mezclado, el flujo total SinConvex®. El escalado se realiza a través de la fórmula de recirculación, es decir, a través del caudal volumétrico de transporte de la herramienta mezcladora helicoidal y de la frecuencia de recirculación derivada de él, y no solo a través de la velocidad de giro. La retícula de tamaños en pasos de 100 litros hasta 50.000 litros – en el silo mezclador Gyraton®, en pasos de 1 m³ hasta unos 100 m³ – permite un dimensionado exacto al tamaño de lote objetivo deseado, sin ruptura de la semejanza. Se puede elegir entre mezcladores verticales de un solo eje (tipo VM), mezcladores verticales de doble eje (tipo HM), mezcladores cónicos (tipo AM), mezcladores KoneSlid® (tipo KS), mezcladores de esfera hueca SpherHelics® (tipo SH), el silo mezclador Gyraton® (tipo GM) y el mezclador continuo cónico (tipo AMK). Así, amixon® asesora al cliente con apertura de resultados, honestidad y orientación a la aplicación.
La documentación de los ensayos sirve como base sólida para la inversión. Los ensayos se realizan, se evalúan y se documentan conjuntamente y por completo. Un informe de ensayo confirma los parámetros de proceso en condiciones reales y designa el aparato óptimo. Estos resultados se incorporan directamente a la especificación de la instalación (URS). La RSD objetivo, los grados de vaciado y los tiempos de ciclo se definen de forma contractualmente sólida. Los riesgos técnicos y económicos quedan así aclarados antes de la inversión y no durante el funcionamiento.
Para el té, las hierbas y las especias, amixon® mezcla de forma especialmente suave. El funcionamiento a baja velocidad conserva las hojas frágiles y las partículas sensibles. La cámara de mezclado se puede vaciar de forma casi total y la limpieza es rápida. Así, los cambios frecuentes de formulación son posibles con seguridad de proceso. El Gyraton® GM homogeneiza especias, té y café en grandes lotes de hasta 100 m³.
La fabricación en Paderborn es el fundamento de calidad de amixon®. El desarrollo y la producción se realizan exclusivamente en la planta de Paderborn con un elevado grado de integración de fabricación. Todos los componentes proceden de fuentes cualificadas en Alemania. Como empresa certificada y cualificada en soldadura con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única a partir de las URS del explotador. El control de calidad permanece íntegramente en la propia casa y cada especificación es demostrable hasta el nivel del componente. Esta soberanía de fabricación asegura al mismo tiempo el suministro a largo plazo. Cada componente se puede volver a fabricar de forma reproducible incluso después de décadas.