¿Qué conceptos de mezcladores de polvo funcionan bien con bidones normalizados para lotes pequeños de polvo?
Para lotes pequeños de polvo en bidones normalizados estandarizados funcionan sobre todo los mezcladores de bidón y de contenedor según el principio de caída libre, siempre que los polvos tengan buena fluidez, estén en gran medida libres de aglomerados y sean suficientemente similares en cuanto a tamaño de partícula, forma de partícula, densidad aparente y comportamiento de flujo. En el trabajo de desarrollo son especialmente habituales los mezcladores de bidón rotativos, los mezcladores de volteo y los mezcladores de contenedor 3D. El bidón cerrado se coloca en un dispositivo de sujeción seguro y se mueve, gira, voltea o superpone como recipiente de mezclado completo. Como ninguna herramienta de mezclado se sumerge en el espacio de producto, la estructura del grano se trata de forma comparativamente cuidadosa. Al mismo tiempo, el producto permanece en el envase original, con lo que se limitan las pérdidas por trasvase, las superficies de instalación en contacto con el producto y el esfuerzo de limpieza del bastidor del mezclador. Los mezcladores de tambor también están disponibles para envases más pequeños; los sistemas habituales del mercado cubren, por ejemplo, bidones de hasta unos 220 litros, así como pequeños envases de laboratorio.
Los mezcladores de bidón puramente rotativos tienen una construcción especialmente sencilla. El bidón se asegura mediante cinchas de sujeción, carcasas conformadas, brazos de sujeción ajustables o adaptadores intercambiables en la envolvente o el borde del bidón, y se mueve alrededor de un eje definido. Los mezcladores de volteo y 3D amplían el movimiento de rotación puro con movimientos adicionales de basculación o inversión. Esto puede mejorar el intercambio entre zonas de producto. Para gránulos sensibles y mezclas de polvo de buena fluidez, estos conceptos suelen ser adecuados, porque la solicitación mecánica se mantiene baja y no hay herramientas de mezclado en contacto con el producto que limpiar.
Sin embargo, estas ventajas no deben ocultar que los mezcladores de caída libre solo son adecuados de forma limitada para muchas formulaciones de polvo exigentes. El principio de mezclado se basa en el movimiento libre de las partículas individuales y en movimientos repetidos de vertido y avalancha. Los polvos fuertemente cohesivos pueden moverse como aglomerados coherentes o «terrones» sin distribuirse de forma suficientemente fina. Para tales productos, la energía de cizalla aportada suele ser insuficiente para disgregar los aglomerados de forma fiable; en tal caso puede ser necesario un mezclador dinámico con herramientas y una acción de cizalla definida. Por otro lado, los mezcladores de caída libre pueden tender a la segregación con componentes de muy buena fluidez. Las diferencias en el tamaño de partícula, la densidad aparente, la forma o las propiedades superficiales favorecen la segregación durante el mezclado y, especialmente, durante la descarga.
Por ello, para recetas con grandes diferencias entre los componentes, con componentes minoritarios difíciles de dosificar, con polvos fuertemente cohesivos, con incorporación de líquido necesaria o con requisitos elevados de homogeneidad, los cabezales de mezclado de laboratorio acoplables suelen ser la mejor solución. El bidón sigue siendo el recipiente de producto, mientras que un cabezal de mezclado externo se acopla desde arriba de forma estanca al polvo. Como herramientas de mezclado se emplean, por ejemplo, herramientas helicoidales, de hélice, de ancla o de dispersión. Un sistema de este tipo puede aportar una acción de cizalla considerablemente mayor y más específica que un mezclador de caída libre. Por ello es adecuado para sólidos cohesivos, tareas de humectación, suspensiones y líquidos con sólidos en suspensión. Para sistemas líquidos o pastosos, la elección de la herramienta debe orientarse al comportamiento de flujo del medio correspondiente.
Las estaciones de acoplamiento y vaciado por el fondo son otra opción cuando los productos deben dosificarse, homogeneizarse o procesarse como suspensión a partir de bidones. El bidón se coloca sobre una estación de acoplamiento y se conecta mediante una válvula de vaciado adecuada. Un agitador puede introducirse en el recipiente desde arriba o desde abajo para recoger sedimentos u homogeneizar una suspensión de sólidos antes de la descarga. Estas soluciones son especialmente relevantes cuando un producto sedimenta durante el almacenamiento o cuando los sólidos deben volver a distribuirse de forma uniforme en un líquido antes del envasado.
Los sistemas dissolver y rotor-estator en versión de bidón no son adecuados principalmente para el mezclado en seco de polvos, sino para la fabricación de dispersiones, emulsiones y suspensiones. Generan fuerzas de cizalla locales altas y pueden dispersar finamente pigmentos, aglomerados de sólidos o sistemas líquido-sólido. Las aplicaciones típicas se encuentran en pinturas, recubrimientos, formulaciones cosméticas, adhesivos y productos químico-técnicos. Para formulaciones pastosas pueden emplearse mezcladores planetarios compactos o sistemas de doble eje, en los que las herramientas se mueven tanto alrededor de su propio eje como a lo largo de la pared del recipiente. Estos sistemas son adecuados para medios pastosos, adhesivos o masillas selladoras; en este contexto, el término viscosidad se refiere a la fase continua líquida o pastosa, no a los polvos secos.
Para el procesamiento seguro de distintos tamaños de bidón es esencial una fijación adecuada. Los bidones de acero pueden alojarse generalmente mediante sistemas de sujeción o centrado robustos. Los bidones de plástico y los hobbocks, en cambio, necesitan una distribución de carga superficial, por ejemplo mediante correas de sujeción anchas, carcasas conformadas adaptadas o adaptadores tipo cesta, para que no se deformen bajo carga dinámica. Los envases de laboratorio pequeños pueden alojarse de forma estable con adaptadores reductores. Las rampas de aceleración y frenado deben ajustarse de modo que el envase, las válvulas de cierre y el producto no se sometan a una solicitación dinámica innecesaria. Además, son necesarios un cierre seguro de la tapa, una comprobación de la integridad del bidón y, en productos que generan polvo, medidas de protección adecuadas contra una liberación involuntaria.
El mezclado en el bidón original ofrece claras ventajas organizativas en investigación y desarrollo. El bidón puede servir como envase de mezclado, almacenamiento y transporte. Esto reduce el número de trasvases de producto, lo que puede disminuir las pérdidas y el riesgo de contaminación cruzada. Además, los lotes de ensayo pueden procesarse rápidamente uno tras otro, porque el bastidor del mezclador, con el envase cerrado, no presenta superficies internas en contacto con el producto. Para sustancias tóxicas, que generan polvo o con contenido de disolventes, un sistema cerrado y mecánicamente seguro es especialmente importante. Si la sujeción del bidón y toda la instalación son adecuadas para la zona ATEX correspondiente o para un nivel de contención específico debe comprobarse por separado.
Un escalado sencillo del bidón de laboratorio a un mezclador de producción no es, sin embargo, algo evidente por sí mismo. La transferibilidad depende del principio de mezclado, la geometría del recipiente, el grado de llenado, la trayectoria de movimiento, la velocidad de giro, las propiedades del producto y el orden de dosificación. Cifras características como el número de Froude pueden orientar en sistemas rotativos, pero no sustituyen los ensayos a la escala relevante. Precisamente porque el grado de segregación puede variar con el tamaño del envase, la altura de caída, el movimiento del aire y la geometría de descarga, la homogeneidad debe comprobarse tanto después del mezclado como después del transporte y el vaciado. La investigación muestra que las diferencias en las propiedades de las partículas, y en particular en el tamaño de partícula, pueden influir de manera considerable en la homogeneidad y en el riesgo de segregación.
Conceptos de mezclado en bidón e IBC de amixon®
Para lotes pequeños de polvo en bidones normalizados estandarizados, amixon® ofrece con el mezclador de un solo eje EM un concepto de mezclado que combina las ventajas de la logística de bidones con un efecto de mezclado dinámico y controlable con precisión. Para lotes mayores y flujos de material basados en IBC está disponible el mezclador de contenedor COM. Ambos sistemas se diferencian fundamentalmente de los mezcladores de caída libre o de volteo: el envase no se gira ni se voltea como recipiente cerrado, sino que permanece vertical o en una posición inclinada definida durante el proceso. La homogeneización se realiza mediante una herramienta de mezclado accionada activamente. Con ello pueden procesarse también productos que solo son adecuados de forma limitada para los sistemas de mezclado por caída libre puros, como polvos cohesivos, mezclas de sólidos húmedos, materias primas aglomeradas o mezclas con adición de líquido.
El mezclador de un solo eje amixon® EM está diseñado para lotes pequeños de desarrollo, producción reducida y just-in-time. Según la ejecución, cubre tamaños de lote de aproximadamente 5 a 200 litros y puede cargarse y vaciarse con bidones normalizados o con tapa estandarizados. El bidón se acerca al mezclador con una transpaleta manual y se acopla con poca generación de polvo. Mediante un movimiento de basculación controlado se llena el mezclador; una vez finalizado el proceso de mezclado, el producto homogeneizado puede devolverse al bidón por el mismo camino. El bidón sirve así como envase de transporte y recepción, mientras que el proceso de mezclado propiamente dicho tiene lugar en la cámara de mezclado de amixon®.
La cámara de mezclado del EM puede inclinarse para el llenado, el vaciado y la intensificación del proceso. En la posición inclinada, el movimiento vertical del producto de la herramienta de mezclado se superpone con una corriente transversal. El producto se transporta hacia arriba en la zona periférica, vuelve a conducirse hacia abajo en la zona central y, al mismo tiempo, se recircula lateralmente. Esta verströmación tridimensional favorece una homogeneización uniforme, incluso con grados de llenado pequeños. Según el producto y la ejecución, el grado de llenado puede situarse en un amplio rango de aproximadamente el 10 al 100 por ciento del volumen útil. La intensidad de mezclado es adaptable: para tareas de homogeneización especialmente cuidadosas puede trabajarse con una velocidad de giro baja de la herramienta; en caso necesario pueden emplearse rotores de corte o HighShearBlades para disgregar aglomerados de forma específica y favorecer la incorporación de pequeñas cantidades de sustancias activas o aditivos.
El EM es especialmente adecuado para premezclas y trituraciones. Estos pasos de proceso son importantes cuando pequeñas cantidades de componentes activos, vitamínicos, minerales u oligoelementos altamente concentrados deben premezclarse primero con una masa portadora adecuada. El objetivo de la premezcla es incorporar los componentes minoritarios de forma completa y finamente distribuida en una proporción suficientemente grande de un polvo portador. La premezcla resultante puede introducirse posteriormente en una mezcla final más grande. Este procedimiento es relevante, por ejemplo, en productos farmacéuticos, nutracéuticos, mezclas dietéticas y alimentación infantil. La calidad de mezcla necesaria y la estrategia de muestreo adecuada deben demostrarse para cada receta.
También los líquidos pueden incorporarse de forma controlada al polvo en el EM. Una dosificación de líquido adecuada y, en su caso, un dispositivo de entrada de pulverización fina permiten distribuir pequeñas cantidades de líquido de la forma más uniforme posible en el polvo en movimiento. Para un diseño sólido deben tenerse en cuenta la humectabilidad, la cohesividad, la humedad inicial, la estructura de partícula, la velocidad de dosificación y la posible aglomeración. En polvos fuertemente cohesivos o en productos con aglomerados pronunciados, el mezclado intensivo adicional puede favorecer la desaglomeración. Como en todos los procesos de mezclado de polvo, la idoneidad real debe confirmarse mediante ensayos con producto original.
Para lotes mayores puede emplearse el mezclador de contenedor amixon® COM. El propio contenedor actúa como cámara de mezclado y permanece erguido o ligeramente inclinado durante el proceso de mezclado. Una herramienta de mezclado que se sumerge desde arriba genera el movimiento de producto necesario. El mezclado no se realiza, por tanto, volteando el contenedor, sino mediante un sistema de mezclado accionado activamente dentro del recipiente cerrado. amixon® describe el COM como mezclador de contenedor para materiales de mezcla de alto valor; según la ejecución, puede operarse con IBC estandarizados y con recipientes Mixtainer® especiales.
En el COM puede emplearse una herramienta de mezclado SinConvex® y MultiPane®. La herramienta de mezclado se introduce desde arriba en el contenedor cerrado de forma estanca al gas, homogeneiza el producto y a continuación se retira de nuevo mediante un movimiento reversible. SinConvex® favorece una verströmación tridimensional intensa y una buena conducción del producto hasta las zonas cercanas al fondo y a la pared. MultiPane® es adecuado para procesos de mezclado especialmente cuidadosos y puede emplearse cuando deben preservarse en la medida de lo posible estructuras de partícula, gránulos o aglomerados sensibles. El COM puede emplearse así tanto para polvos secos como húmedos, así como para productos con requisitos de homogeneidad exigentes. La tarea de mezclado concreta, la homogeneidad alcanzable y el grado de llenado adecuado se determinan mediante ensayos con el producto.
Una ventaja central de ambos conceptos radica en la combinación del proceso de mezclado con la logística de envases. Se reducen los pasos de trasvase, con lo que pueden limitarse las pérdidas de producto, las emisiones de polvo y las interfaces con riesgo de contaminación cruzada. El envase puede emplearse para el pesaje, el almacenamiento intermedio, el transporte interno y la recepción del producto terminado. En el EM, el producto se homogeneiza en el mezclador y a continuación se devuelve al bidón normalizado. En el COM, la homogeneización tiene lugar directamente en el contenedor. Esta organización del proceso resulta especialmente ventajosa para lotes pequeños y variables, para mezcladores por encargo, así como para empresas con cambios frecuentes de producto o de receta.
La limpiabilidad forma parte del concepto de la instalación. En el EM, la cámara de mezclado puede bascularse a una posición ergonómicamente favorable para la limpieza. En el COM puede acoplarse un Washtainer® para la limpieza en húmedo automática de la herramienta de mezclado. Para aplicaciones exigentes desde el punto de vista higiénico, los sistemas de mezclado pueden ejecutarse con geometrías de pocos espacios muertos, superficies en contacto con el producto bien accesibles y funciones adecuadas de sellado y limpieza. amixon® menciona para el COM, entre otros elementos, dispositivos WIP con cierres rápidos asépticos y la idoneidad para requisitos higiénicos elevados. Si se requiere una limpieza en seco o en húmedo y cómo debe validarse depende de la receta, el riesgo de alérgenos o principios activos, la adherencia del producto y las especificaciones de la planta.
Los programas de mezclado pueden almacenarse en un PLC y ejecutarse de forma reproducible por lote. Esto puede incluir el tiempo de mezclado, la velocidad de giro de la herramienta, las fases de mezclado intensivo, el orden de adición, la dosificación de líquido y, en su caso, perfiles de temperatura. Una conexión a un sistema ERP o de ejecución de fabricación (MES), así como la captura por código de barras o RFID, puede favorecer la asignación completa de receta, materias primas, envase, lote, parámetros de proceso y estado de limpieza. Esto crea una base sólida para la trazabilidad, la validación del proceso y la evaluación de la disponibilidad de la instalación.
Todas las propiedades higiénicas se basan en una ejecución constructivamente favorable a la limpieza. Esto incluye superficies soldadas con pocas juntas y rectificadas, órganos mezcladores apoyados desde arriba sin paso de eje inferior en contacto con el producto, puertas de inspección de gran tamaño y órganos de descarga con pocos espacios muertos. Las puertas de inspección CleverCut® con juntas OmgaSeal® pueden mejorar la accesibilidad y favorecer una ejecución permanentemente estanca y fácil de limpiar. Según el proyecto, también pueden preverse lanzas de lavado integradas o funciones de limpieza en húmedo totalmente automáticas. Una ejecución conforme a las directrices EHEDG, así como considerando las directrices de higiene de la FDA o los 3-A Sanitary Standards, es posible en función del proyecto.
Antes de seleccionar un sistema de mezclado se realiza la demostración con el producto original. En el centro de ensayos de amixon® en Paderborn hay disponibles más de 30 instalaciones de ensayo de distintos tamaños; además existen centros de ensayo en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y Estados Unidos. En los ensayos se reproducen grados de llenado reales, tamaños de lote y condiciones de temperatura y presión. Se evalúan la calidad de mezcla, el cuidado del producto, la aportación de energía, la desaglomeración, la incorporación de líquido, la capacidad de vaciado, la limpiabilidad y la reproducibilidad en la operación posterior. Los resultados documentados crean una base sólida para el diseño técnico y económico de la solución de mezclado en bidón o IBC elegida.