¿Qué opciones existen para integrar sistemas de dosificación en mezcladores de polvo?
Los sistemas de dosificación pueden integrarse directamente en el mezclador, mediante un depósito intermedio o como parte de un proceso continuo. La solución técnicamente óptima depende del comportamiento del producto, la precisión de dosificación requerida, el caudal, el funcionamiento por lotes o continuo, la higiene, la contención y la altura de montaje disponible. No existe una arquitectura «óptima» de manera generalizada.
En la carga directa, los órganos de dosificación como dosificadores de tornillo, válvulas rotativas o canaletas vibrantes están conectados directamente con la entrada del mezclador. Esto reduce los puntos de transferencia, las alturas de caída libre y las pérdidas de material. La solución es adecuada para instalaciones compactas, pero requiere una sincronización fiable entre la dosificación y el mezclador. Los dosificadores volumétricos son comparativamente sencillos, pero reaccionan de forma sensible a cambios en la densidad aparente, el comportamiento de flujo o el nivel de llenado. Por ello resultan adecuados sobre todo para polvos estables y con buena fluidez.
Para procesos por lotes, con frecuencia se recurre a un pesaje gravimétrico previo. En este caso, los componentes se dosifican por masa en un depósito de pesaje o directamente sobre una báscula y después se transfieren por lotes al mezclador. Este principio se denomina a menudo gain-in-weight (aumento de peso): se mide el peso creciente en el sistema de pesaje. Permite una asignación clara de la formulación y una precisión elevada, aunque siempre dependiente del producto, del rango de cantidades y de la instalación. Las células de carga deben desacoplarse frente a vibraciones, fuerzas de las tuberías y cargas mecánicas secundarias.
Para procesos de mezclado continuos se emplean con frecuencia dosificadores gravimétricos de pérdida de peso (loss-in-weight). Loss in weight significa que se registra de forma continua la masa decreciente de un depósito de reserva; la velocidad del órgano de dosificación se regula de manera que se mantenga un caudal másico predefinido. Este procedimiento puede compensar mejor las fluctuaciones de la densidad aparente y del flujo de material que una dosificación puramente volumétrica. Sin embargo, las fases de recarga siguen siendo un punto crítico: durante el rellenado, la regulación gravimétrica directa está limitada o interrumpida, por lo que el tamaño del depósito, la tasa de recarga, la estrategia de control y, en su caso, un tamponamiento deben diseñarse cuidadosamente.
La precisión de dosificación no debería indicarse de forma generalizada con valores porcentuales fijos. Depende del producto, del rango de dosificación, del tiempo de dosificación, de la resolución de pesaje, del comportamiento de flujo, del órgano de descarga, del proceso de recarga, de las perturbaciones ambientales y de la definición de precisión que se utilice. Especialmente en cantidades pequeñas y polvos cohesivos, la precisión alcanzable puede diferir claramente de los valores nominales. Por ello debería comprobarse con material original y durante todo el rango de funcionamiento real.
Las válvulas cónicas pueden emplearse como órganos de descarga y cierre en mezcladores, silos o depósitos. Al elevar un cono se genera una ranura de descarga anular. Con una geometría de depósito y un producto a granel adecuados, esto puede favorecer el flujo másico: el producto se mueve entonces por toda la sección transversal del depósito y no solo por un canal de flujo central. El flujo másico puede reducir la segregación, las zonas muertas y los tiempos de residencia irregulares. Sin embargo, no está garantizado únicamente por la válvula. El ángulo de la tolva, el tamaño de la salida, la fricción con la pared, la humedad del producto, la cohesión, la distribución del tamaño de partícula y la aireación deben considerarse conjuntamente.
Una posición de elevación variable de una válvula cónica puede influir en el flujo de producto y, en determinadas aplicaciones, favorecer una dosificación gruesa o fina. Sin embargo, para llenados gravimétricos precisos, la válvula por sí sola no suele sustituir a una técnica de pesaje y control adecuada. En el caso de polvos cohesivos o de flujo difícil, pueden ser necesarias además ayudas de vibración, aireación o descarga. Estas medidas deben diseñarse con precaución, ya que las vibraciones o los movimientos de aire incontrolados pueden favorecer la segregación en mezclas sensibles.
El control de proceso debe enclavar de forma lógica el dosificador, el mezclador y la descarga. Las condiciones típicas son: el mezclador está listo para la carga, la formulación correcta está liberada, la válvula de descarga está cerrada, el pesaje se encuentra dentro de la tolerancia admisible y la instalación posterior puede recibir el producto. Los interruptores de fin de carrera, las señales de confirmación de posición, las señales de pesaje, los valores de nivel de llenado y los mensajes de fallo deberían documentarse claramente e integrarse en el control. Un control lógico programable, o PLC, puede ejecutar estos procesos; para la documentación de lotes, los datos de formulación, materia prima y proceso pueden transferirse a sistemas superiores.
El diseño constructivo depende del caso de aplicación. Para alimentación y farmacia son relevantes las geometrías con pocos espacios muertos y fáciles de limpiar, los materiales adecuados en contacto con el producto y, en su caso, la limpieza en el sitio (cleaning in place, CIP) o la esterilización en el sitio (sterilization in place, SIP). CIP designa la limpieza de componentes de la instalación montados sin un desmontaje extenso; SIP designa la esterilización en estado montado. En el caso de polvos o gases explosivos deben tenerse en cuenta la clasificación de zonas, la evaluación de fuentes de ignición y las medidas de protección adecuadas. Los productos abrasivos pueden requerir materiales resistentes al desgaste o piezas de desgaste intercambiables. Para productos reactivos o sensibles al oxígeno pueden ser necesarios sistemas cerrados, inertización y condiciones de presión o vacío definidas.
Así puede amixon® integrar la dosificación, la descarga y la periferia
La integración de sistemas de dosificación en un mezclador de polvo debe planificarse como una tarea global que abarca la puesta a disposición de material, el pesaje, la carga, el mezclado, la descarga, el transporte y el control. Son determinantes las propiedades de los productos a granel, la precisión de dosificación exigida, el modo de funcionamiento —por lotes o continuo—, la capacidad de limpieza requerida, los requisitos de contención, así como las interfaces con la instalación anterior y posterior. amixon® puede diseñar la técnica de mezclado y las interfaces correspondientes de forma específica para el proyecto sobre la base de la especificación de requisitos de usuario, o URS. La URS es la especificación de requisitos documentada del explotador.
En el lado de la descarga, la válvula DosiFlap® puede favorecer, en determinadas aplicaciones, una entrega de producto controlada. Puede disponerse directamente debajo del mezclador y permitir la transferencia a big bags, envases, técnica de transporte o etapas de proceso posteriores. La ventaja de una entrega directa reside en que pueden evitarse depósitos intermedios adicionales y posibles puntos de transferencia. Sin embargo, si con ello se alcanza una dosificación suficientemente precisa depende del comportamiento de flujo, la densidad aparente, la cantidad de dosificación, la tolerancia de descarga, la característica de la válvula, las condiciones de presión y el concepto de pesaje existente. Para llenados gravimétricos precisos suele ser necesaria una técnica de pesaje coordinada; el órgano de descarga por sí solo no la sustituye.
Según los requisitos del proceso, también pueden emplearse boquillas normalizadas con compuerta de salida o válvulas de segmento esférico resistentes a vacío y presión. El órgano de descarga adecuado debe ajustarse al producto, a la geometría del depósito, a las posibles condiciones de presión o vacío, a la estrategia de limpieza y a la instalación posterior. Una ejecución enrasada y con pocos espacios muertos de la salida puede reducir los restos de producto y el esfuerzo de limpieza. Sin embargo, no constituye una prueba general de que no queden residuos por encima de la válvula. Los polvos adherentes, húmedos, cohesivos o susceptibles de carga electrostática pueden formar adherencias con independencia de la geometría. Por ello, el rendimiento de vaciado y limpieza debería comprobarse con el producto real.
La tecnología ComDisc® puede favorecer la descarga al transportar hacia la salida las cantidades de producto que quedan al final del proceso de mezclado. Según indicaciones de amixon®, en función del producto y la aplicación son posibles grados de vaciado elevados, de hasta aproximadamente el 99,99 por ciento. Un vaciado lo más completo posible puede aumentar el rendimiento del producto, simplificar los cambios de producto y reducir las cantidades residuales. Sin embargo, el vaciado realmente alcanzable depende de la adherencia del producto, la humedad, el tamaño de partícula, la densidad aparente, la geometría del aparato y el modo de funcionamiento. Un vaciado libre de segregación solo puede evaluarse para la formulación concreta y la vía de descarga real.
Para procesos continuos, el mezclador continuo amixon® tipo AMK muestra cómo pueden coordinarse la dosificación, el volumen de mezcla y la descarga. Al inicio de la producción, la descarga permanece cerrada. Los dosificadores gravimétricos arrancan simultáneamente con un caudal másico reducido y se coordinan entre sí. Una vez que el depósito está lleno aproximadamente hasta la mitad, comienza el funcionamiento de mezclado. Con un grado de llenado de aproximadamente el 80 por ciento, la descarga se abre de forma escalonada; a continuación, el grado de llenado se mantiene en ese nivel mediante los caudales de dosificación. Al final de la producción, los caudales de dosificación se reducen de forma controlada y el mezclador se vacía. Este concepto puede reducir las pérdidas de arranque y parada y favorecer un funcionamiento estable. Sin embargo, si realmente no se producen pérdidas de producto ni producto fuera de especificación depende de la precisión de dosificación, las fluctuaciones de materia prima, el control del proceso, la tarea de mezclado y los criterios de calidad establecidos.
Para instalaciones por lotes rigen principios similares. Un pesaje automático de formulación puede registrar los componentes según las cantidades objetivo predefinidas y transferirlos al mezclador en un orden determinado. Para ello, los dosificadores, las células de carga, los depósitos de reserva, la técnica de transporte, el mezclador y la descarga deben estar conectados mediante una lógica de control y enclavamiento clara. Por ejemplo, el mezclador solo debería cargarse cuando la formulación esté liberada, el órgano de descarga esté cerrado, haya suficiente volumen de depósito disponible y el proceso se encuentre en un estado de funcionamiento seguro. Tras la fase de mezclado, la instalación posterior o el sistema de envasado deben estar listos antes de que se libere la descarga.
amixon® fabrica la técnica de mezclado; los dosificadores, las cribadoras, la técnica de transporte y otros equipos periféricos pueden integrarse en el marco del proyecto. Para ello deben definirse tempranamente las dimensiones de conexión mecánica, las alturas de transferencia, las capacidades de transporte, los caudales, los volúmenes de tamponamiento, los flujos de material, las transferencias de señales y las responsabilidades. Los mezcladores verticales compactos pueden facilitar la integración, ya que las materias primas suelen alimentarse por arriba y los productos se descargan por abajo. Sin embargo, el principio de gravedad solo funciona si se tienen suficientemente en cuenta las alturas de caída, el ángulo de la tolva, el comportamiento de flujo, los riesgos de formación de puentes, la conducción del polvo y la altura de montaje disponible.
El control conecta el pesaje, la dosificación, el proceso de mezclado y el envasado. Las formulaciones pueden almacenarse en un control lógico programable, o PLC, y ejecutarse por lotes. Un PLC es un ordenador industrial para el control de máquinas y procesos. Una conexión específica del proyecto a un sistema de planificación de recursos empresariales, o sistema ERP, y la identificación de material mediante código de barras pueden favorecer la trazabilidad de los lotes. Un sistema ERP sirve para la planificación y gestión de pedidos, materiales y recursos. Para que la formulación, el lote de materia prima, las cantidades objetivo y reales, los parámetros de proceso y la descarga se vinculen correctamente entre sí, deben establecerse con claridad el modelo de datos, las marcas de tiempo, la versión de la formulación, los derechos de usuario, el comportamiento de comunicación y el tratamiento de las desviaciones.
El diseño de una nueva solución de dosificación o descarga no debería basarse únicamente en valores empíricos. En el centro de ensayos de amixon® pueden realizarse ensayos con producto original. Según indicaciones de amixon®, en Paderborn hay disponibles más de 30 instalaciones de prueba en distintos tamaños; existen centros de ensayo complementarios en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y Estados Unidos. Según la tarea planteada, pueden evaluarse la calidad de mezcla, la dosificabilidad, la distribución de líquidos, el cuidado del producto, el aporte de energía, la capacidad de vaciado y la capacidad de limpieza. Los resultados pueden respaldar el diseño y la definición de parámetros de partida. Reducen los riesgos técnicos antes de una inversión, pero no sustituyen la recepción de rendimiento ni, en su caso, la cualificación de la línea de producción completa por parte del explotador.
El diseño higiénico de la instalación de mezclado puede favorecer una integración limpia y controlada. amixon® describe para determinadas ejecuciones zonas en contacto con el producto con pocas juntas y pulidas, un mecanismo de mezclado alojado únicamente en la parte superior, así como puertas de inspección Clever-Cut® con juntas OmgaSeal®. Estas características pueden mejorar la accesibilidad y la capacidad de limpieza y reducir los puntos de estanqueidad en contacto con el producto. Pueden preverse lanzas de lavado, así como limpieza en el sitio (cleaning in place, CIP) o limpieza húmeda en el sitio (wet in place, WIP), de forma específica para el proyecto. CIP designa la limpieza en estado montado sin un desmontaje extenso. WIP describe una limpieza húmeda en estado montado. La eficacia de limpieza real debe demostrarse para el producto, la suciedad y el procedimiento de limpieza; una lanza de lavado o un proceso de limpieza automatizado no constituyen automáticamente una limpieza validada.