¿Cómo planificar series de ensayos en el centro de ensayos para optimizar tiempo de mezclado, revoluciones y adición de líquido en una nueva receta de especias?
Planificación de ensayos en el centro de ensayos (DoE)
La optimización de una formulación de especias se realiza de forma estructurada con ayuda del diseño estadístico de experimentos (design of experiments, DoE). El objetivo consiste en obtener con pocos ensayos conclusiones sólidas sobre el tiempo de mezclado, la velocidad de giro y la adición de líquido. Las interacciones se tienen en cuenta de forma selectiva. Todos los ensayos se realizan en condiciones reproducibles.
Al comienzo se definen magnitudes objetivo y criterios de valoración claros. Los criterios habituales son:
- homogeneidad (coeficiente de variación CV inferior al 5 %)
- distribución granulométrica y aglomerados
- humedad residual y actividad de agua (aw)
- densidad aparente y fluidez
- sensórica (color, aroma, sabor)
- proporción de polvo y calidad óptica
Además se registran los límites de proceso siguientes:
- aportación de energía
- temperatura del producto
- adherencia a la pared
- trabajo de limpieza
Se definen y se delimitan los factores de influencia y los rangos más importantes.
- Tiempo de mezclado: habitualmente 30–600 s.
- Velocidad periférica: aprox. 1–6 m/s en la herramienta mezcladora principal, aprox. 10–30 m/s en el rotor de corte.
- Adición de líquido: 0–15 % (cantidad, momento, forma de aportación).
Otras magnitudes como el grado de llenado, el orden de las materias primas y el tipo de boquilla se mantienen constantes o se tienen en cuenta de forma sistemática.
Diseño de los ensayos (estructura DoE): la planificación se realiza en tres etapas.
- Cribado: identificación de los efectos principales (por ejemplo factorial fraccionado).
- Optimización: modelización de las interacciones (por ejemplo CCD, Box-Behnken).
- Verificación: confirmación de los óptimos mediante ensayos de repetición.
El orden se aleatoriza. Los puntos centrales sirven para valorar la dispersión y la curvatura.
Realización de los ensayos
El tiempo de mezclado se determina mediante series temporales. Las muestras se extraen en varias posiciones. El punto óptimo se alcanza cuando el valor de CV llega a una meseta estable. Deberían evitarse los tiempos de mezclado demasiado largos, ya que de lo contrario pueden aparecer abrasión, polvo y pérdida de aroma.
La velocidad de giro determina la solicitación mecánica. Se valora la relación entre una mezcla rápida y la protección del producto. Las velocidades de giro elevadas mejoran la disgregación de los aglomerados, pero aumentan la rotura y el polvo fino.
En la adición de líquido se investigan el momento, la forma de dosificación y la característica de la boquilla. El objetivo consiste en lograr una humectación uniforme sin formación de grumos. El tiempo de mezclado posterior se adapta de forma selectiva.
Registro y evaluación de los datos: se registran todos los datos de proceso relevantes.
- Potencia y par.
- Temperatura del producto, cantidades de adición y tiempos.
- Tomas de muestra y datos de análisis.
La evaluación se realiza mediante regresión y ANOVA. Se identifican los efectos e interacciones significativos. Los resultados se representan como superficies de respuesta. Varias magnitudes objetivo se pueden combinar mediante funciones de deseabilidad.
Escalado a la producción
El escalado se tiene en cuenta desde el principio. Como criterios de transferencia sirven:
- una velocidad periférica o un número de Froude constantes,
- una aportación específica de potencia P/V constante,
- una característica de pulverización comparable con los líquidos.
El número de Froude se refiere a los mezcladores rotativos de caída libre, de tambor y de proyección, así como a los sistemas con órgano mezclador apoyado en horizontal. En los mezcladores verticales con recirculación forzada no es un criterio de dimensionado ni de escalado. Allí lo determinante es que el principio de mezclado se mantenga igual en todos los tamaños y que la recirculación abarque toda la cámara de mezclado con independencia del grado de llenado; la transferibilidad se asegura en el centro de ensayos con el producto original.
El objetivo es la transferibilidad directa de los parámetros óptimos.
Los resultados se respaldan estadísticamente y se validan. Se evalúan muestras de distintas posiciones (CV). La analítica se realiza según el producto (por ejemplo tamizado, colorimetría, análisis del principio activo).
Así planifica amixon® los programas de ensayos y de escalado en el centro de ensayos
Al principio está la definición de objetivos, en la que se fijan los criterios de aceptación claros del explotador. A ellos pertenecen la calidad de mezcla (por ejemplo la RSD), el grado de vaciado, la protección del producto (integridad de las partículas, sin aportación de calor), el tamaño de lote y el tiempo de ciclo. amixon® traslada estos requisitos a un programa de ensayos estructurado. Se ensaya en una de las 35 instalaciones de prueba, en un tamaño constructivo que corresponda a la cantidad de producto disponible.
Se investigan los parámetros relevantes para el escalado.
- tiempo de mezclado,
- velocidad periférica (habitualmente 0,8–3,5 m/s),
- grado de llenado (calidad de mezcla elevada ya a partir de aprox. el 10 %),
- adición de líquido (cantidad, tasa de dosificación, sistema de aportación como lanza o boquilla de dos fluidos, opcionalmente con rotor de corte).
Para cada punto de funcionamiento se extraen muestras y se determina la calidad de mezcla. Los grados de vaciado se verifican gravimétricamente. Las cascadas de ensayos proporcionan datos sólidos.
Determinadas propiedades del producto no se pueden calcular de forma fiable. Entre ellas figuran la rotura de partículas, la generación de polvo, la conservación de la densidad aparente, la capacidad de instantaneización y el comportamiento de descarga. Para ello, amixon® realiza series de ensayos escalonadas con distintos tamaños de lote, por ejemplo 1 l, 100 l, 400 l, 2.000 l y 3.000 l. También se dispone de mezcladores de gran centro de ensayos de hasta 3 m³. Así se obtienen datos sólidos para el escalado hasta aprox. 15.000 litros.
Todos los ensayos se evalúan y se documentan conjuntamente, para crear una base de inversión fundamentada. El informe de ensayo confirma los parámetros de proceso óptimos en condiciones reales. El informe de ensayo define el aparato adecuado y sirve de base para las URS. Las magnitudes objetivo como la RSD, el grado de vaciado y el tiempo de ciclo se fijan con precisión. Los riesgos de inversión se reducen por adelantado.
Los mezcladores de amixon® trabajan a baja velocidad y de forma respetuosa con el producto, de modo que queda garantizado un tratamiento suave de los productos sensibles. Las partículas frágiles como las hierbas, el té o las especias permanecen intactas. Un vaciado casi completo y una limpieza rápida permiten cambios frecuentes de producto.
Las especias son productos naturales. Su calidad varía según el origen, el momento de la cosecha y la frescura. Las variaciones de calidad se pueden compensar con frecuencia mediante lotes mayores y homogeneizados. El silo mezclador Gyraton® homogeneiza lotes de hasta 100 m³, tanto por lotes como en continuo.
Al final de una campaña de ensayos está la visita a la fábrica de amixon®.
Fabricación y aseguramiento de la calidad
amixon® desarrolla y fabrica exclusivamente en Paderborn. Todos los componentes proceden de Alemania. Como empresa certificada y cualificada en soldadura con acreditaciones internacionales, amixon® fabrica cada mezclador como una pieza única a partir de las URS. El control de calidad se realiza íntegramente en la propia casa. Cada especificación es trazable hasta el nivel del componente. Los repuestos siguen estando disponibles de forma reproducible a largo plazo.