Los mezcladores de polvo, según su tipo y ejecución, pueden emplearse más allá de la simple homogeneización como reactores mezcladores o secadores-mezcladores. En particular se pueden combinar calentar, enfriar, vacío e inertización. Sin embargo, si todas las funciones pueden reunirse de forma útil en un solo aparato depende del producto, la reacción, la viscosidad, la transmisión de calor, el nivel de presión, el comportamiento del sólido, los requisitos de limpieza y el concepto de seguridad.

Un concepto integrado puede reducir los trasvases de producto y las interfaces abiertas. Con ello, en la aplicación adecuada, pueden disminuirse las pérdidas, las contaminaciones cruzadas, las salidas de polvo y el esfuerzo de limpieza. Sin embargo, la integración de procesos no es automáticamente ventajosa: con niveles de temperatura muy diferentes, caudales elevados, formulaciones difíciles de limpiar o secuencias de reacción complejas, los aparatos separados pueden resultar más fáciles de controlar y más rentables.

Calentar y enfriar

El calentamiento se realiza habitualmente mediante una doble camisa, serpentines de medio tubo u otras superficies del recipiente termorregulables. Como medio calefactor pueden emplearse, por ejemplo, agua, vapor o aceite térmico. En determinados aparatos, además, pueden termorregularse el eje mezclador, los brazos mezcladores o las herramientas de mezclado. Esto aumenta la superficie de transmisión de calor disponible y puede resultar útil especialmente en productos secados por contacto, pastosos o con baja conductividad térmica.

Las tareas típicas son la fusión o licuefacción de aglutinantes, la conducción controlada de reacciones dependientes de la temperatura, el temple, el secado por contacto y a vacío, así como determinados procesos de granulación por fusión o de recubrimiento. La velocidad de calentamiento y la temperatura del producto alcanzables no dependen solo del medio calefactor, sino también de la superficie de transmisión de calor, el movimiento de mezclado, el grado de llenado, la humedad del producto, la conductividad térmica y la temperatura admisible del producto.

El enfriamiento suele utilizar las mismas superficies de transmisión de calor con agua de refrigeración, salmuera u otro medio de transmisión de calor adecuado. Puede disipar el calor de reacción, reducir la temperatura del producto después de una fase caliente o acondicionar un producto antes de la descarga y el envasado. En reacciones exotérmicas, la capacidad de refrigeración forma parte del diseño de seguridad. Debe dimensionarse de modo que también se evalúen estados de proceso desfavorables, por ejemplo una temperatura inicial más alta, lotes defectuosos, una dosificación desviada o una transmisión de calor reducida.

Vacío e inertización

Los procesos al vacío requieren un aparato correspondientemente resistente al vacío y suficientemente estanco, juntas adecuadas, una vía de producto estanca al gas, una filtración adaptada al producto, así como un sistema de vacío y condensación. El vacío puede reducir el punto de ebullición de los componentes volátiles y, con ello, posibilitar el secado por contacto a vacío a temperaturas de producto más bajas. Otras aplicaciones posibles son la desgasificación, la eliminación de disolventes residuales, la impregnación y el recubrimiento.

El movimiento de mezclado renueva la capa de producto en las superficies termorreguladas y puede mejorar así la transmisión de calor y materia. Sin embargo, no sustituye el tiempo de secado necesario ni una superficie de transmisión de calor suficiente. En polvos muy finos, pastas pegajosas o reología cambiante, el filtro, la descarga, la retención de polvo y la condensación deben diseñarse con especial cuidado.

La inertización puede proteger el producto y el proceso frente al oxígeno o la humedad y, con un diseño adecuado, servir como medida preventiva de protección contra explosiones. Habitualmente se emplea nitrógeno; en determinadas aplicaciones, argón o dióxido de carbono. El gas adecuado se selecciona en función de la química del producto, la temperatura, la reactividad, la corrosión, los requisitos de pureza y la protección laboral.

En procesos discontinuos, una atmósfera de gas inerte puede establecerse mediante evacuación repetida y posterior inundación con gas inerte. La concentración de oxígeno debe situarse, para un concepto de protección contra explosiones, por debajo de la concentración límite de oxígeno determinada para el sistema concreto de producto y gas inerte. Se requieren una instalación suficientemente estanca, una secuencia de purga definida, una medición de oxígeno adecuada, valores de alarma y desconexión, así como enclavamientos de seguridad. La inertización no protege automáticamente frente a la autoignición, la descomposición térmica o las reacciones exotérmicas.

Combinaciones típicas

La combinación de calentar y vacío se emplea con frecuencia para el secado por contacto a vacío. El vacío reduce la temperatura de evaporación, mientras que la pared termorregulada del recipiente y, en su caso, las herramientas de mezclado termorreguladas aportan el calor necesario. El movimiento de mezclado evita acumulaciones locales de producto y favorece un tratamiento uniforme. Si realmente se logra un secado cuidadoso depende de la temperatura del producto, el nivel de presión, la intensidad de mezclado, la condensación, la humedad residual y la estabilidad térmica del producto.

Calentar e inertizar pueden combinarse cuando un producto debe procesarse con exclusión de oxígeno o cuando una reacción controlada por temperatura debe realizarse en atmósfera inerte. Esto puede ser útil en sustancias sensibles a la oxidación, productos intermedios reactivos o determinados polvos metálicos. La idoneidad del gas inerte debe demostrarse para el sistema de sustancias concreto; el nitrógeno no es adecuado para toda sustancia reactiva o todo polvo metálico.

El vacío y la inertización se combinan con frecuencia como procedimiento de cambio de presión. La evacuación elimina parte de la atmósfera existente; la inundación posterior la sustituye por gas inerte. Varios ciclos reducen aún más el oxígeno residual. Este procedimiento puede servir tanto a la protección del producto como a la protección contra explosiones, siempre que el límite de oxígeno, la medición y la lógica de seguridad estén diseñados de forma fiable.

La combinación de calentar, enfriar, vacío e inertización puede posibilitar procesos «one-pot». Ejemplos son el mezclado de materias primas, una reacción controlada por temperatura bajo gas de protección, el posterior secado a vacío y un enfriamiento controlado antes de la descarga. Estos procesos requieren un control de proceso coordinado para la temperatura, la presión, el flujo de calor, el vacío, la condensación, la atmósfera de gas, la intensidad de mezclado y los dispositivos de seguridad.

Requisitos constructivos

Un mezclador de polvo multifuncional necesita un diseño adecuado de presión y vacío, materiales resistentes a la temperatura y compatibles con los medios, superficies de transmisión de calor suficientemente dimensionadas, juntas de eje y de tapa adecuadas, un filtro para la extracción de gas y vapor, así como una solución de descarga adaptada al producto. Para procesos con contenido de disolventes o con riesgo de explosión de polvo se añaden requisitos adicionales de estanqueidad, inertización, protección contra explosiones, condensación y vaciado seguro.

El sistema de control de proceso debe registrar la temperatura, la presión, el nivel de llenado, la velocidad de giro del mezclador, el medio calefactor y refrigerante, el vacío, el caudal de gas inerte y, en su caso, el contenido de oxígeno, y regularlos dentro de límites definidos. Para las funciones de seguridad críticas deben establecerse valores límite de alarma, enclavamientos y un estado seguro en caso de fallo de energía, vacío, refrigeración o gas inerte.

La esterilización no está garantizada automáticamente por un secador-mezclador calefactable. Si una instalación va a emplearse como aparato de esterilización, deben validarse los perfiles de tiempo-temperatura, la carga, la distribución del calor, la transmisión de calor, la limpieza, los criterios de aceptación microbiológicos y, en su caso, los indicadores biológicos. La FDA señala expresamente que, debido a sus propiedades aislantes, los polvos requieren estudios específicos sobre la distribución y penetración de la temperatura para la esterilización por calor seco.