¿Qué ventajas ofrecen las herramientas de mezclado adaptables para productos cambiantes en un mezclador industrial?
Las herramientas de mezclado adaptables aumentan la flexibilidad de un mezclador industrial cuando cambian los productos, las recetas o los tamaños de lote. Permiten adaptar de forma dirigida la intensidad de mezclado, el movimiento del producto, la desaglomeración, la incorporación de líquido y la protección frente al desgaste a las propiedades del producto a mezclar correspondiente, sin tener que instalar una planta completamente nueva para cada tarea.
Flexibilidad de proceso
Con productos cambiantes, los requisitos suelen diferir notablemente. Los polvos con buena fluidez necesitan sobre todo una recirculación convectiva uniforme. Los polvos cohesivos pueden requerir una desaglomeración adicional. Los granulados sensibles, las fibras, las partículas recubiertas o los cristales, en cambio, deben someterse a la menor solicitación posible de cizalla, impacto y aplastamiento. Los elementos de herramienta adaptables, como paletas, palas, hélices, cuchillas, rascadores o herramientas de mezclado intensivo, permiten ajustar el movimiento del producto a estas diferencias.
En ello, la adaptabilidad puede implementarse de distintas maneras. En algunos mezcladores, las herramientas se cambian realmente, por ejemplo cuando se pasa de una geometría de paletas suave a una herramienta de efecto más intensivo. En otros casos, la herramienta base permanece en el aparato y la intensidad del proceso se ajusta mediante la velocidad de giro, el sentido de giro, la conexión por tiempo limitado de choppers, la estrategia de dosificación o el grado de llenado. En la práctica, la segunda solución suele ser más rápida, porque no requiere ninguna modificación mecánica ni una nueva limpieza tras un cambio de herramienta.
Sin embargo, una mayor flexibilidad no significa automáticamente que cada receta pueda fabricarse en la misma instalación sin una nueva comprobación. Si la estructura de partícula, la cohesividad, la humedad, las proporciones de dosificación, la receta, el grado de llenado, los materiales de contacto con el producto o el nivel de higiene requerido cambian de forma sustancial, deben revisarse el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, la homogeneidad, el vaciado y la limpieza para la nueva tarea.
Calidad de mezcla y cuidado del producto
La geometría de la herramienta determina qué procesos de mezclado predominan en el recipiente. Las paletas, hélices o cintas helicoidales de gran superficie favorecen sobre todo las corrientes de producto convectivas y pueden recircular todo el volumen del lote de forma relativamente cuidadosa. Las cuchillas intensivas, los choppers o los sistemas rotor-estator generan localmente fuerzas de cizalla más altas y son adecuados para romper aglomerados o distribuir de forma más fina una adición de líquido. Los rascadores pueden limitar la acumulación en la pared en productos pegajosos o húmedos y ayudan a integrar todas las zonas de producto en la mezcla.
La posibilidad de seleccionar o combinar estas funciones según las necesidades ayuda a resolver el conflicto entre una homogeneización rápida y el cuidado del producto. Un granulado sensible, por ejemplo, puede homogeneizarse primero con una velocidad de giro baja. Si es necesario disolver aglomerados individuales, una herramienta intensiva puede operarse solo durante una fase corta y definida. Después, el lote se vuelve a mezclar con una solicitación mecánica baja. Así disminuyen el riesgo de rotura de partícula, formación de finos, abrasión, calentamiento no deseado y alteraciones de la distribución del tamaño de partícula.
Una configuración de herramienta elegida de forma adecuada al producto puede acortar el tiempo de mezclado, porque el movimiento de producto necesario se genera de forma dirigida. No obstante, esto no significa que una herramienta más intensiva sea siempre mejor. Una velocidad de giro demasiado alta, un tiempo de mezclado demasiado largo o una cizalla innecesariamente alta pueden volver a segregar la mezcla, dañar las partículas sensibles o aumentar los requisitos de limpieza. Por ello, el objetivo óptimo es la ventana de proceso robusta más pequeña en la que se alcanza de forma fiable la homogeneidad requerida.
Limpieza y desgaste
Las herramientas adaptables pueden mejorar la limpieza y el cambio de producto cuando están ejecutadas con superficies lisas y bien accesibles, distancias herramienta-pared definidas y el menor número posible de zonas de retención. Las geometrías adecuadas de rascado y desviación pueden limitar la acumulación en la pared y los depósitos en el fondo. Esto reduce los restos de producto, el esfuerzo de limpieza y el riesgo de contaminaciones cruzadas. No obstante, en los productos críticos por alérgenos, farmacéuticos o de alta pureza, todas las zonas en contacto con el producto —incluidos los ejes, las juntas, las armaduras de salida, las tapas, los filtros y los puntos de dosificación— deben incluirse en la validación de la limpieza.
En los productos a mezclar abrasivos, los elementos de desgaste modulares o intercambiables pueden ser económicamente razonables. En lugar de sustituir todo el rotor, pueden reemplazarse de forma selectiva las paletas, palas, rascadores o segmentos de protección especialmente solicitados. Mediante una selección adecuada de materiales, los aceros endurecidos, el metal duro, los plásticos adecuados o los recubrimientos cerámicos pueden emplearse solo donde son técnicamente necesarios. Las herramientas de cambio rápido y utilizables por ambos lados pueden reducir los tiempos de parada, así como los costes de repuestos y mantenimiento. Un ejemplo de concepto de herramienta modular menciona un cambio rápido de todas las piezas de desgaste en contacto con el producto y unos costes de desgaste menores gracias a hojas de mezclado utilizables por ambos lados.
Otras funciones de proceso
La adaptación de la herramienta puede combinarse con otras opciones de equipamiento. Las lanzas de líquido, las boquillas de pulverización o las boquillas de dos componentes permiten la incorporación dirigida de aglutinantes, aceites, soluciones o suspensiones. El movimiento de la herramienta distribuye estos líquidos en el volumen de producto; con un diseño adecuado pueden unirse fracciones finas a partículas portadoras más gruesas, reducirse el polvo o generarse efectos de granulación y recubrimiento.
Las camisas de termorregulación o las herramientas con control de temperatura pueden ser relevantes cuando el producto debe calentarse, enfriarse, secarse, acondicionarse o mezclarse a una temperatura definida. El equipamiento de vacío o inertización puede ser necesario para productos con disolvente, sensibles a la oxidación o a la humedad, así como susceptibles de explosión de polvo. La sensórica inline, como la medición NIR, Raman, de par, temperatura, humedad o presión, puede complementar el control, siempre que el punto de medición y el modelo de evaluación estén validados para la receta crítica.
Escalado y validación
Las herramientas de mezclado adaptables pueden facilitar la transición de la escala de laboratorio a la de producción, pero no sustituyen un desarrollo de escalado sistemático. En el escalado deben considerarse conjuntamente la geometría del recipiente, el diámetro de la herramienta, las distancias a la pared, el grado de llenado, la velocidad de giro, la velocidad periférica, la densidad de potencia y el tiempo de mezclado. La semejanza geométrica, así como indicadores como la velocidad periférica o el aporte específico de potencia, pueden proporcionar una orientación importante. No obstante, una velocidad periférica o una densidad de potencia constantes por sí solas no garantizan que el flujo de producto, la homogeneidad y el cuidado del producto se transfieran de forma idéntica. La geometría de la herramienta y las propiedades reales del producto siguen siendo decisivas.
Por ello, los ensayos de mezclado con producto original son la base más segura para determinar el equipamiento de herramienta adecuado y la ventana de proceso. En ellos deberían estudiarse no solo la calidad de mezcla y el tiempo de mezclado, sino también la rotura de partícula, la proporción de finos, la evolución de la temperatura, la distribución de líquido, la abrasión, el vaciado residual, la limpiabilidad y la estabilidad de la mezcla tras la descarga y el transporte. En surtidos de productos con gran variabilidad, debería probarse en cada caso el producto más crítico: por ejemplo, la receta más cohesiva, más abrasiva, más sensible o de menor dosificación.
Herramientas de mezclado y equipamiento adaptables: la sistemática amixon® para productos cambiantes
Un principio de herramienta, muchos estados de servicio
Los mezcladores amixon® por lo general no necesitan kits de reequipamiento mecánico ni sustitución de las herramientas de mezclado para productos cambiantes. El órgano mezclador de cinta helicoidal SinConvex® permanece en el mezclador, incluso cuando la característica del producto a granel cambia notablemente: desde partículas gruesas y sensibles hasta polvos finos o nanoestructurados, desde productos a granel con buena fluidez hasta sistemas cohesivos, húmedos o en suspensión. Lo decisivo para la calidad de mezcla no es el cambio de la herramienta, sino la forma de operar ajustada individualmente a la tarea de mezclado.
La geometría SinConvex® genera una recirculación forzada tridimensional. El producto se transporta hacia arriba en la zona próxima a la pared, fluye de nuevo hacia abajo en el centro apoyado por la gravedad y se conduce de forma continua de nuevo a la zona de mezclado activa. Este movimiento de producto controlado puede emplearse para sistemas sólidos secos, húmedos y en suspensión. Incluso con densidades aparentes y tamaños de partícula muy distintos, los parámetros de servicio pueden ajustarse de modo que se logre la homogeneidad requerida. No obstante, para mezclas con grandes diferencias entre los componentes siempre debe comprobarse si la mezcla se mantiene estable también durante la descarga, el transporte y el envasado.
La adaptación se realiza mediante la forma de operar. Esto incluye el tiempo de mezclado, la velocidad de giro de la herramienta o la velocidad periférica, el grado de llenado, el orden de adición de las materias primas, los puntos de dosificación, los tiempos de dosificación, en su caso el sentido de giro, la adición de líquido, la temperatura y la presión. La velocidad periférica de la herramienta puede ajustarse, según la forma constructiva y la tarea de mezclado, en un rango de aproximadamente 0,8 a 3,5 m/s. Para los productos sensibles se elige una forma de operar especialmente cuidadosa y de baja velocidad. En los polvos cohesivos, los aglomerados o los componentes minoritarios difíciles de dispersar, la intensidad puede aumentarse de forma dirigida. Cuando se requiere una desaglomeración local, pueden conectarse rotores de corte o HighShearBlades por tiempo limitado. Las herramientas de mezclado base permanecen invariables en ello; solo se adapta el estado del proceso.
También las adiciones de líquido pueden integrarse en la conducción del producto sin cambio de herramienta. Las lanzas, boquillas de pulverización o boquillas de dos componentes incorporan aglutinantes, aceites, soluciones o suspensiones en una zona de mezclado activa. Esto permite, por ejemplo, la humectación de polvos cohesivos, la distribución uniforme de aditivos, la unión de partículas finas a soportes más gruesos o el recubrimiento de partículas sólidas. La cantidad, el tamaño de gota, el momento de dosificación y el tiempo de mezclado posterior se adaptan a la receta correspondiente como parte de la forma de operar. En procesos sensibles a la temperatura o conducidos térmicamente, una camisa doble complementa las opciones de proceso mediante calentamiento o enfriamiento.
Cada receta recibe su propio programa de mezclado en el PLC. Este programa puede contener valores objetivo y tolerancias para el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, las fases de mezclado intensivo, la adición de líquido, la temperatura, la presión, el grado de llenado y el desarrollo de la descarga. Un cambio de producto se realiza así principalmente mediante la llamada a una receta liberada, no mediante una modificación mecánica del órgano mezclador. Esto reduce los tiempos de preparación, evita errores de montaje o de configuración de herramienta y facilita una conducción de lote reproducible. El tiempo de limpieza real y la liberación necesaria entre dos productos siguen dependiendo de la receta, los alérgenos, los principios activos, el color, el olor, las proporciones de grasa y la evaluación de riesgo higiénico.
Grado de llenado y espectro de productos
El rango de grado de llenado utilizable en los mezcladores amixon® puede cubrir, según la forma constructiva y el producto, aproximadamente entre el 10 y el 100 % del volumen útil. Con ello, el mismo aparato puede procesar distintos tamaños de lote. Si con cada grado de llenado y con cada receta se alcanza la mezcla aleatoria técnicamente ideal debe demostrarse de forma referida al producto. Especialmente con grados de llenado muy bajos, componentes nanofinos o fuertemente cohesivos, relaciones de dosificación extremas o recetas con grandes diferencias de densidad y de tamaño de grano, el tiempo de mezclado, la intensidad necesaria y la tendencia a la segregación pueden variar.
Esto también se aplica a la afirmación de que no es necesaria una nueva validación. Un cambio de los parámetros de proceso dentro de una ventana de proceso ya fijada y validada puede quedar cubierto por la receta liberada en el PLC. En cambio, con una receta nueva, una calidad de materia prima notablemente modificada, un rango de grado de llenado ampliado o un objetivo de homogeneidad distinto, es necesaria una nueva evaluación basada en riesgo. Esta puede ser reducida si existen productos comparables y ensayos previos sólidos, pero, en particular en aplicaciones críticas para la calidad, no debería omitirse por completo.
Diseño y modernización
Cada aparato amixon® se diseña sobre la base de una especificación de requisitos de usuario (URS). En ello se ajustan al espectro de productos previsto la geometría de la herramienta, el posible número y posición de los rotores de corte, la ubicación de las boquillas de líquido, los materiales, las superficies, las juntas, la sensórica, las superficies de termorregulación, el concepto de descarga y la automatización. Para los productos abrasivos, por ejemplo, pueden preverse herramientas endurecidas, guarniciones de metal duro o recubrimientos cerámicos. Para los productos húmedos, reactivos o sensibles a la temperatura pueden integrarse camisas de termorregulación y funciones de vacío, presión o inertización.
Si el espectro de productos se amplía más adelante, son posibles modernizaciones específicas para el proyecto. Estas pueden incluir puntos de dosificación adicionales, puntos de medición, lanzas de líquido, conexiones de termorregulación, sensórica, rotores de corte o adaptaciones en la periferia de descarga y limpieza. No obstante, estas modernizaciones modifican la instalación y, por ello, deben reevaluarse en cuanto a mecánica, estanqueidad, higiene, protección contra explosiones, control y calidad de proceso. La propia hélice de mezclado, en muchos casos, no necesita sustituirse.
Verificación en el centro de ensayos
La idoneidad para un amplio espectro de productos se comprueba en el centro de ensayos amixon® con los productos originales más críticos. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, el producto más sensible en cuanto a la rotura de partícula, el polvo más cohesivo, el material más abrasivo, una receta con una proporción de dosificación muy baja o una mezcla con diferencias especialmente grandes de densidad y de tamaño de partícula. Los ensayos se realizan con grados de llenado, tiempos de mezclado, velocidades de giro, secuencias de adición y, en su caso, condiciones de temperatura o presión realistas.
Se evalúan la calidad de mezcla, el tiempo de mezclado, la desaglomeración, el cuidado de la partícula, la distribución de líquido, el aporte de energía, el vaciado residual, la limpiabilidad y la estabilidad de la mezcla durante la descarga, así como en los pasos de proceso posteriores. Los resultados documentados constituyen la base para el diseño del mezclador de producción y para la definición de las recetas del PLC. Ayudan a fijar los parámetros de proceso de modo que un cambio de producto se realice realmente mediante un programa de mezclado y no mediante un cambio mecánico de herramienta.
Diseño higiénico
La forma de operar flexible se complementa con una construcción favorable a la limpieza. Las cámaras de mezclado soldadas sin juntas y rectificadas, los órganos mezcladores 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®, los órganos de descarga con pocos espacios muertos y las lanzas de lavado integradas mejoran la accesibilidad, la limpieza y el cambio de producto. La limpieza en seco y en húmedo puede diseñarse y validarse en función del producto, el perfil de alérgenos, la proporción de grasa y el concepto de higiene. Según el proyecto, la construcción puede orientarse a las directrices EHEDG, así como a las directrices higiénicas de la FDA y a las normas 3-A Sanitary Standards.