¿Qué herramientas de mezclado y opciones de equipamiento son especialmente adecuadas cuando los productos a granel son heterogéneos y presentan distintas densidades aparentes?
En los productos a granel heterogéneos con distintas densidades aparentes, tamaños de partícula, formas y propiedades de flujo, no es decisiva una única herramienta de mezclado, sino la interacción coordinada del principio de mezclado, la geometría de la herramienta, la dosificación, la forma de operar y el concepto de descarga. Resulta especialmente importante que el sistema de mezclado integre repetidamente todas las zonas del producto en una zona de mezclado activa y que, a continuación, la mezcla se descargue en la medida de lo posible sin tramos de caída, vibraciones o una pufferización desfavorable. Las diferencias de tamaño de partícula, forma y densidad se encuentran entre las causas más importantes de segregación; esta puede producirse durante el mezclado, pero es especialmente frecuente durante la descarga y en los recipientes posteriores.
Principios de mezclado adecuados
Para grandes diferencias de densidad aparente y de características de partícula, los sistemas de mezclado activamente convectivos son en muchos casos más adecuados que los mezcladores de caída libre puros. Entre ellos se encuentran los mezcladores de paletas, de palas, de rejas de arado, helicoidales y de varios ejes operados a baja o moderada velocidad. Generan corrientes de producto definidas y acortan el trayecto que deben recorrer los distintos componentes para lograr una distribución espacial completa. No obstante, qué concepto se adapta mejor depende en gran medida de la cohesividad, la abrasividad, la sensibilidad de las partículas, el tiempo de mezclado objetivo y el lote.
Los mezcladores de rejas de arado pueden generar una fluidización mecánica intensiva y resultan razonables cuando deben distribuirse rápidamente polvos cohesivos, aglomerados o componentes minoritarios difíciles. No obstante, la alta intensidad de mezclado también puede favorecer la rotura de partículas, la abrasión, la generación de calor y, con un tratamiento demasiado prolongado, una nueva segregación. Por ello, solo resultan razonables cuando la receta permite esta solicitación.
Los mezcladores de paletas o de palas de doble eje generan corrientes de mezclado superpuestas y, con una geometría de herramienta adecuada, pueden permitir un tiempo de mezclado corto. Son adecuados para mezclas heterogéneas cuando se requieren simultáneamente una buena distribución tridimensional y una solicitación de partícula comparativamente limitada. En los granulados muy sensibles o los componentes propensos a la rotura, la velocidad de la herramienta, el ángulo de las palas, el grado de llenado y la descarga deberían comprobarse con especial cuidado.
Los mezcladores cónicos verticales o de tornillo helicoidal son ventajosos cuando se requiere una recirculación de producto convectiva y cuidadosa con grados de llenado variables. Pueden ser muy adecuados para productos cuya estructura deba conservarse en la medida de lo posible. No obstante, en las partículas finas fuertemente cohesivas o los aglomerados firmes, el movimiento helicoidal puro puede no ser suficiente. En este caso puede ser necesaria una etapa de mezclado intensivo por tiempo limitado o una premezcla previa.
Los mezcladores de artesa con cintas helicoidales son una solución económica para productos con buena fluidez y diferencias moderadas entre componentes. No obstante, con diferencias extremas de densidad o de tamaño de grano existe un mayor riesgo de que la recirculación del producto no alcance suficientemente todas las zonas o de que la mezcla vuelva a separarse durante la descarga. Los mezcladores de caída libre, como los mezcladores de doble cono, en V o basculantes, son especialmente cuidadosos, pero adecuados sobre todo para componentes con buena fluidez, en gran medida libres de aglomerados y suficientemente similares en sus propiedades de partícula. Con diferencias notables de tamaño, forma o densidad, pueden necesitar tiempos de mezclado más largos y tender a la segregación.
Herramientas y opciones
Las paletas y las palas con una inclinación definida pueden combinar corrientes de producto axiales, radiales y tangenciales. Una disposición dirigida de la herramienta ayuda a captar todo el volumen y a evitar zonas marginales pobres en producto. Las herramientas de rejas de arado separan el producto de la pared del recipiente y generan un campo de flujo intensivo. Las herramientas helicoidales y de cinta helicoidal transportan el producto de forma controlada a lo largo de la pared y lo conducen hacia el reflujo central. La forma de herramienta óptima no puede deducirse de forma general a partir de la relación de densidades; debe ajustarse a la estructura de partícula, la cohesividad, la abrasividad y la sensibilidad de las partículas.
Los rascadores próximos a la pared pueden resultar razonables en productos adherentes o húmedos, para limitar la acumulación de producto en la pared del recipiente y en el fondo. No obstante, en los polvos secos y abrasivos deben diseñarse de modo que no generen zonas innecesarias de fricción y abrasión. Los ángulos de herramienta ajustables o las herramientas intercambiables pueden aumentar la flexibilidad ante recetas cambiantes, pero deben ejecutarse de forma higiénica, mecánicamente estable y posicionable de manera reproducible.
Los desmenuzadores, choppers o cabezales de cuchillas resultan razonables cuando deben desintegrarse de forma dirigida aglomerados cohesivos. No deberían emplearse de forma permanente como sustituto de una cinemática de mezclado base adecuada. Una conexión por tiempo limitado en una fase de proceso claramente definida reduce la solicitación de todo el lote. Especialmente en partículas sensibles, recubiertas o abrasivas, debería comprobarse si el efecto de desaglomeración obtenido justifica la posible rotura de partículas o abrasión.
Una dosificación precisa de líquido puede ayudar, en recetas adecuadas, a unir las fracciones finas a partículas portadoras más gruesas y reducir así la percolación. Las lanzas de dosificación, las boquillas de pulverización o las boquillas de dos componentes deberían introducir el líquido en una zona de mezclado activa. La cantidad, el tamaño de gota, la duración de la dosificación y el momento de adición deben controlarse para que no se produzcan sobrehumectaciones locales, nidos de pegajosidad o aglomerados no deseados. En productos sensibles a la humedad o reactivos con el agua, este enfoque no es, evidentemente, adecuado.
La regulación variable de la velocidad de giro mediante convertidor de frecuencia permite una forma de operar adaptada al proceso. Por ejemplo, el lote puede homogeneizarse primero de forma cuidadosa tras la carga, tratarse a continuación de forma más intensiva y por poco tiempo para la desaglomeración, y después volver a mezclarse con baja solicitación. El tiempo de mezclado debería ser lo más corto posible y solo tan largo como sea necesario. El mezclado excesivo puede volver a empeorar la homogeneidad en productos propensos a la segregación.
Dosificación y descarga
Con grandes diferencias de densidad o de tamaño de partícula, la estrategia de adición suele ser tan importante como el propio mezclador. Los componentes minoritarios y las partículas finas no deberían caer en zonas marginales estancadas, sino dosificarse de forma controlada en una corriente de producto activa. Las premezclas geométricas pueden ser razonables cuando deben distribuirse aditivos, colorantes, principios activos altamente concentrados o componentes muy finos en dosificación baja. Los sistemas de dosificación gravimétrica favorecen pesadas reproducibles y ayudan a distinguir los errores de dosificación de los problemas de mezclado reales.
La descarga debe considerarse parte de la tarea de mezclado. Un recipiente de flujo másico hace que el producto se mueva a través de toda la sección, mientras que en el flujo de núcleo o de embudo, determinadas zonas permanecen más tiempo y ciertas fracciones pueden descargarse de forma preferente. Los ángulos de pared pronunciados, los materiales de pared adecuados, las secciones de salida suficientemente grandes y un órgano de descarga adecuado favorecen el flujo másico. Con ello se reducen tanto la segregación como la formación de puentes y las zonas muertas.
Los tramos de caída libre y las fuertes desviaciones horizontales deberían minimizarse. Favorecen la segregación por trayectoria, por rodadura y por percolación. En el transporte neumático, un transporte en flujo denso, cuidadoso y más lento puede ser ventajoso, siempre que sea técnicamente adecuado para el producto. Las vibraciones en los transportadores, los recipientes y las estaciones de envasado también deberían examinarse críticamente, porque pueden desplazar una fracción fina hacia abajo y hacer que las partículas gruesas asciendan.
Indicadores y comprobación
El número de Froude Fr es una magnitud útil, sobre todo para los sistemas de mezclado rotativos. Describe la relación entre las fuerzas de inercia y las gravitatorias. Con una velocidad de giro demasiado baja, la recirculación puede ser insuficiente; con una velocidad demasiado alta, las partículas pueden presionarse contra la pared del recipiente y centrifugarse. Un principio general como «Fr > 1 evita la segregación» no es correcto. Con Fr ≈ 1, en muchos sistemas rotativos ya comienza la centrifugación, por lo que para el mezclado propiamente dicho suelen ser necesarios números de Froude claramente más bajos.
Para los procesos continuos y por lotes, otros indicadores complementan el diseño: el grado de llenado, el número de revoluciones de la herramienta, la velocidad periférica, el aporte específico de potencia, el tiempo de mezclado, la distribución de tiempos de permanencia, la precisión de dosificación y el tiempo de descarga. Estos valores no son magnitudes objetivo universales, sino que deben determinarse mediante ensayos de producto. La calidad de mezcla debería evaluarse no solo en el mezclador, sino mediante muestras escalonadas en el tiempo durante la descarga y, en su caso, tras el transporte posterior.
Mezclador de doble eje HM y KoneSlid® KS
Cuando los productos a granel presentan densidades aparentes, tamaños de partícula, formas o propiedades de flujo muy distintos, amixon® recomienda especialmente el mezclador vertical de doble eje HM y, para productos especialmente sensibles o de estructura gruesa, el mezclador KoneSlid® KS. Ambos sistemas trabajan con una recirculación de producto tridimensional generada activamente y, por ello, resultan especialmente adecuados frente a los mezcladores de caída libre puros cuando la mezcla debe fabricarse de forma rápida, reproducible y lo más estable posible frente a una segregación posterior. Qué forma constructiva se adapta mejor depende de la cohesividad, la proporción de aglomerados, la sensibilidad de las partículas, el tamaño de lote, el rango de grado de llenado, el tiempo de mezclado deseado y los requisitos de descarga.
El mezclador de doble eje amixon® HM emplea dos órganos mezcladores helicoidales SinConvex® que giran en el mismo sentido. Estos generan dos corrientes de producto superpuestas: el producto a mezclar se transporta hacia arriba en la zona exterior y fluye de nuevo hacia abajo en la zona central por efecto de la gravedad. En la zona de solapamiento de ambas corrientes se produce un intercambio intensivo entre los componentes. Esto favorece una homogeneización muy rápida y uniforme, incluso cuando los productos a granel empleados difieren notablemente en densidad aparente, tamaño de partícula o comportamiento de flujo. Para los polvos cohesivos, las distintas fracciones y las mezclas con pequeñas cantidades añadidas, el HM puede equiparse adicionalmente con rotores de corte o HighShearBlades. Estos solo se conectan en la fase de proceso necesaria, para disolver aglomerados de forma dirigida o distribuir finamente una adición de líquido.
El mezclador KoneSlid® KS es especialmente adecuado para productos sensibles, secados por atomización, granulados en lecho fluidizado, secados en banda o de estructura gruesa, en los que deben conservarse en la medida de lo posible la forma de partícula, la banda granulométrica, el recubrimiento o la calidad óptica del producto. La herramienta de mezclado central SinConvex® transporta el producto hacia arriba en la zona marginal. En el centro fluye hacia abajo y se conduce de nuevo, mediante un cuerpo desplazador cónico, hacia la zona de mezclado exterior. Con ello se genera una recirculación forzada tridimensional dirigida, con un aporte de energía mecánica comparativamente bajo. Todo el volumen del lote puede quedar recirculado una vez tras aproximadamente cuatro revoluciones de la herramienta. La calidad de mezcla deseada puede alcanzarse, según el producto, la receta, el grado de llenado y la homogeneidad objetivo, tras aproximadamente 20 a 40 revoluciones. No obstante, estos valores deben asegurarse mediante ensayo para el producto concreto.
Una ventaja esencial de ambos sistemas reside en que la intensidad de mezclado no se determina únicamente mediante un cambio de herramienta. Las herramientas de mezclado SinConvex® trabajan con una corriente base convectiva tridimensional. El estado de servicio puede adaptarse mediante la velocidad de giro y la velocidad periférica. Según la forma constructiva y la tarea de mezclado, pueden ajustarse velocidades periféricas de herramienta de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s. Para una homogeneización cuidadosa se trabaja con baja solicitación. Cuando es necesario, pueden conectarse rotores de corte o HighShearBlades por tiempo limitado para una desaglomeración dirigida. La corriente base sigue diseñada, en ello, para captar todo el volumen de producto de forma completa y uniforme.
También la adición controlada de líquido puede ser decisiva en los productos a granel heterogéneos. Los líquidos, aglutinantes, aceites o aditivos funcionales pueden introducirse en una zona de mezclado activa mediante lanzas o boquillas de dos componentes. En recetas adecuadas, esto permite unir las fracciones finas a partículas portadoras más gruesas y reducir la percolación posterior. La cantidad, el tamaño de gota, el punto de dosificación, el momento de adición y el tiempo de mezclado posterior deben fijarse de forma específica para cada producto. Una dosificación inadecuada puede provocar sobrehumectación local, aglomerados o un empeoramiento del comportamiento de flujo.
Las camisas de termorregulación permiten calentar o enfriar la cámara de mezclado y, en su caso, otras zonas en contacto con el producto. Esto puede ser relevante cuando debe influirse en la viscosidad de una adición de líquido, fundirse un aglutinante, acondicionarse la humedad o evacuarse el calor de reacción. Para los productos a granel secos e insensibles a la temperatura, la termorregulación no es imprescindible, pero puede contribuir a una mejor estabilidad de proceso con temperaturas de materia prima que varían estacionalmente o con recetas sensibles.
El rango de grado de llenado puede ser amplio según la forma constructiva del mezclador y el producto. amixon® indica, para las distintas formas constructivas, un rango de aproximadamente el 10 al 100 % del volumen útil. No obstante, si una mezcla aleatoria ideal es realmente alcanzable en todo el rango de grado de llenado y con cada receta debe comprobarse de forma referida al producto. Con grados de llenado muy bajos, componentes muy distintos, proporciones de dosificación bajas o fracciones finas cohesivas, el tiempo de mezclado, el mezclado intensivo necesario y la homogeneidad pueden variar. Es necesaria una nueva evaluación en particular cuando la receta, la calidad de la materia prima, la masa del lote, la ventana de grado de llenado o los parámetros de proceso se modifican de forma sustancial.
Los aparatos amixon® se diseñan sobre la base de una especificación de requisitos de usuario (URS). El equipamiento de herramientas, el número de rotores, la posición de las boquillas de líquido, los materiales, las superficies, las juntas, la sensórica, la termorregulación y el concepto de descarga pueden ajustarse al espectro de productos. En los productos a mezclar abrasivos, por ejemplo, son posibles herramientas de mezclado endurecidas, guarniciones de metal duro o recubrimientos de protección cerámicos. Una ampliación posterior puede incluir, según la construcción existente y la interfaz disponible, puntos de dosificación adicionales, sensórica, dispositivos de termorregulación o agregados de mezclado intensivo. Si una modernización es técnicamente y económicamente razonable depende del aparato existente concreto y de los nuevos requisitos de producto.
La idoneidad para todo un espectro de productos debería comprobarse a partir de los materiales más críticos en cada caso. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, el producto más sensible en cuanto a la rotura de partícula, el polvo más cohesivo, el producto a mezclar más abrasivo, la receta con la menor proporción de dosificación o la mezcla con las mayores diferencias de densidad aparente. En el centro de ensayos amixon® estos productos pueden estudiarse con grados de llenado, tiempos de mezclado, velocidades de giro y conceptos de adición realistas. Se evalúan la homogeneidad, la desaglomeración, el cuidado de las partículas, la distribución de líquido, el aporte de energía, el vaciado residual, el riesgo de segregación durante la descarga, la limpiabilidad y la reproducibilidad. Los resultados sirven como base documentada para el diseño de la instalación de producción.
Para distintos tamaños de lote hay disponibles distintas formas constructivas. Los mezcladores verticales y cónicos como el VM, el HM y el AM, así como los reactores mezcladores-secadores VMT y AMT, pueden ejecutarse de forma específica para el proyecto desde aproximadamente 100 hasta 50.000 litros. El Gyraton® GM cubre lotes grandes en el rango de aproximadamente 10 a 100 m³. Para lotes pequeños están disponibles el EM, en el rango de aproximadamente 5 a 200 litros, y el mezclador de contenedores COM, en el rango de aproximadamente 100 a 4.000 litros. La selección del tamaño constructivo se orienta según la masa del lote, la densidad aparente, la logística, el espacio disponible, la estrategia de limpieza y la capacidad de producción requerida.
El diseño higiénico complementa la técnica de mezclado. Las cámaras de mezclado y las herramientas de mezclado soldadas sin juntas y rectificadas, los ejes apoyados únicamente en la parte superior sin paso de eje inferior en la zona de producto, las grandes puertas de inspección CleverCut® con juntas OmgaSeal®, así como los órganos de descarga con pocos espacios muertos, mejoran la accesibilidad, la limpieza y el cambio de producto. Las lanzas de lavado integradas o la limpieza en húmedo totalmente automática pueden favorecer los procedimientos de limpieza en seco y en húmedo. Según el proyecto, la ejecución puede orientarse a las directrices EHEDG, así como a las directrices higiénicas de la FDA y a las normas 3-A Sanitary Standards.