Muchos materiales de las industrias alimentaria, química y farmacéutica, desde materias primas, aditivos y productos intermedios hasta productos manufacturados, se suministran como polvos relativamente fluidos adecuados para el proceso de fabricación o la aplicación final. A menudo, estos materiales se almacenan durante largos periodos de tiempo, durante los cuales algunos polvos ganan fuerza debido a las interacciones partícula/partícula. Esto suele denominarse "apelmazamiento" y puede limitar significativamente la capacidad de un polvo para pasar por el tren de proceso sin interrupción y puede afectar negativamente a la calidad del producto.
El apelmazamiento se produce a través de uno o varios mecanismos (normalmente, mecánicos, químicos y térmicos), siendo la migración y absorción de agua los más influyentes. Se puede limitar el apelmazamiento gestionando las condiciones ambientales para mantener los materiales en un estado óptimo, ajustando los parámetros operativos (normalmente limitando el tiempo que el material está inmóvil) o modificando la formulación del producto.
Al probar y comprender el comportamiento de cada material, es posible evaluar y minimizar el riesgo de apelmazamiento en distintos puntos del proceso, para maximizar y mantener la calidad del producto. Los resultados de las pruebas de polvo pueden servir de base, por ejemplo, para decidir con qué frecuencia hay que voltear o agitar el material para mantenerlo en buen estado para su posterior procesamiento, y si puede mantener su calidad si se envasa en bolsas, barriles, contenedores a granel o camiones cisterna.
Sin embargo, sea cual sea el mecanismo, para determinar las condiciones precisas que minimizan el potencial de apelmazamiento es necesario comprender en profundidad los cambios en las propiedades de flujo que se producen como consecuencia.
El reómetro de polvos FT4 es un medidor de polvos universal que proporciona mediciones automatizadas, fiables y exhaustivas de las características de los materiales a granel. Esta información puede correlacionarse con la experiencia del proceso para mejorar la eficacia del procesamiento y ayudar al control de calidad. Especializado en la medición de propiedades de flujo dinámico, el FT4 también incorpora una célula de cizallamiento y la capacidad de medir propiedades a granel como la densidad, la compresibilidad y la permeabilidad.
En este estudio, se utilizó el método dinámico para medir la energía de flujo de muestras de polvo antes y después del apelmazamiento para cuantificar los cambios en la fluidez. La energía de flujo se determina mediante un principio de medición patentado que evalúa la resistencia al movimiento de una cuchilla de forma especial que se desplaza a lo largo de una trayectoria prescrita a través de un volumen preciso de polvo. Las mediciones de par y fuerza resultantes se convierten en energía de flujo[1].
Las muestras se preparan llenando un recipiente de prueba con polvo y utilizando el ciclo de acondicionamiento a medida para generar una estructura de empaquetamiento uniforme. A continuación, el recipiente se divide para garantizar un volumen de muestra fijo que se almacena en las condiciones deseadas.
La mayoría de los polvos experimentan un aumento de su resistencia al flujo debido a la creación de enlaces interparticulados más fuertes. En algunos casos, estos cambios son reversibles, pero en muchos casos el polvo ha sufrido cambios superficiales que dan lugar a la creación de enlaces permanentes.
Apelmazamiento potenciado por la humedad
El efecto de la humedad en los polvos es complejo debido a la interacción de varios factores. La adsorción de humedad crea puentes capilares, lo que aumenta el tamaño de las fuerzas necesarias para separar partículas individuales y grupos de partículas entre sí. Con el tiempo, la humedad adsorbida también puede dar lugar a puentes sólidos, facilitar las interacciones químicas y aumentar la deformación plástica a través de una mayor movilidad molecular principalmente en las superficies de las partículas.
Se almacenaron muestras de tres polvos alimentarios diferentes durante 48 horas a diferentes humedades relativas (HR), y luego se probaron utilizando el FT4 para investigar cómo respondería cada uno a las condiciones, en términos de la Energía de Flujo requerida para impulsar una cuchilla a través del lecho en un patrón de flujo establecido.
La energía de flujo del alimento A sólo aumentó marginalmente con el aumento de la humedad relativa, lo que indica que esta muestra no se vio afectada en gran medida por el entorno. Por el contrario, el alimento C mostró un fuerte aumento de la energía de flujo al 76% de humedad relativa, probablemente debido a la presencia de cristales de sacarosa que se disolvían parcialmente en la alta humedad y formaban fuertes puentes entre las partículas. Una mayor energía de flujo indica que el polvo es más difícil de mover en procesos dinámicos, por lo que es probable que el alimento C sea más problemático si se almacena durante periodos prolongados a altos niveles de humedad.
El alimento B mostró una tendencia diferente, lo que demuestra que la absorción de humedad no siempre es perjudicial. Se observó una disminución de la energía de flujo a 56% HR en comparación con la muestra ambiente. La humedad adsorbida puede reducir las fuerzas electrostáticas y, en algunos casos, la humedad superficial puede actuar como lubricante, reduciendo la fuerza de las interacciones entre partículas. Las muestras se preparan llenando un recipiente de prueba con polvo y utilizando el ciclo de acondicionamiento a medida para generar una estructura de empaquetamiento uniforme. A continuación, el recipiente se divide para garantizar un volumen de muestra fijo que se almacena en las condiciones deseadas. La mayoría de los polvos experimentan un aumento de su resistencia al flujo debido a la creación de enlaces interparticulados más fuertes. En algunos casos, estos cambios son reversibles, pero en muchos casos el polvo ha sufrido cambios superficiales que dan lugar a la creación de enlaces permanentes.
Apelmazamiento no homogéneo (formación de costras)
El apelmazamiento debido a la exposición a una humedad relativa elevada no siempre se produce de manera uniforme en todo el polvo. En algunos casos, el apelmazamiento puede producirse predominantemente en la interfaz superficie-aire del polvo, dando lugar a una fuerte "costra" que es sustancialmente más resistente al flujo en comparación con el resto del lecho de polvo. La cuantificación del grado en que esta "costra" ha afectado al lecho de polvo informará sobre la cantidad de polvo que queda en estado utilizable. Otros métodos utilizados para evaluar el apelmazamiento del polvo, como las células de cizallamiento, los penetrómetros y los ensayos uniaxiales, no son capaces de cuantificar este fenómeno. La evaluación del gradiente de energía con respecto a la altura del lecho, a medida que la cuchilla atraviesa el polvo, el protocolo de ensayo patentado del FT4, permite una medición precisa tanto de la resistencia como de la profundidad de la costra.
Se almacenaron muestras de leche desnatada en polvo (LDP) a 53% y 75% de HR durante un máximo de seis días, y cada día se analizó una muestra con el FT4 para evaluar el grado y la ubicación de la consolidación dentro del lecho.
En las muestras almacenadas a una HR del 53%, se observó una tendencia clara, en la que se formó una costra sólida en la interfaz polvo-aire que fue ganando integridad estructural y profundidad a medida que aumentaba el tiempo de almacenamiento. Sin embargo, más adentro del lecho se observó una consolidación mínima, lo que sugiere que la formación de una costra relativamente no porosa había minimizado la migración de humedad en la parte inferior del lecho de polvo.
Cuando las muestras del mismo polvo se almacenaron a una humedad más alta (75% HR), se observó una tendencia diferente. Una vez más, se formó una costra sólida en la interfaz polvo-aire, pero esta vez, la zona de mayor consolidación progresa hacia abajo a través del lecho en función del tiempo de almacenamiento, dejando atrás una zona de consolidación moderada por encima de una zona "activa" de consolidación muy alta, que representa la profundidad a la que la humedad había penetrado en la muestra. Al igual que en el ensayo con una HR del 53%, por debajo del nivel de la costra, el polvo permaneció sin consolidar, ya que la costra lo había protegido de los efectos del ambiente húmedo.
Este nivel de humedad fue suficiente para penetrar hasta el fondo del recipiente en el transcurso de la investigación, como se puso de manifiesto en la prueba de la muestra después de seis días de almacenamiento, que se había solidificado en toda la masa y para la que no se pudo medir la energía de flujo.
Esta diferencia de rendimiento, que depende de la humedad relativa en la que se almacenó el polvo, demuestra que no sólo la humedad afecta al grado de apelmazamiento, sino también a la fuerza y profundidad de la costra resultante y a la velocidad de migración de la humedad a través de la masa de polvo.
Reaglomeración por temperatura
A temperaturas elevadas, aumenta la movilidad molecular/viscoelasticidad de los materiales, lo que reduce la dureza de las partículas y hace que el material experimente una mayor deformación plástica. Esto aumenta el área de contacto entre las partículas y, por tanto, el número de interacciones cohesivas, incluidas las interacciones químicas superficiales, que favorecen el apelmazamiento dentro del lecho de polvo. La posibilidad de cuantificar el alcance de estos efectos bajo temperaturas elevadas y cargas de consolidación, y de correlacionarlos con otras propiedades del polvo (como la temperatura de transición vítrea en el caso de los polímeros, el tamaño de las partículas o la morfología de la superficie), permite una comprensión más profunda de las interacciones entre el polvo y las condiciones de almacenamiento, y podría ayudar a justificar el almacenamiento a temperatura controlada, o informar sobre los polvos almacenados y procesados en climas más cálidos.
Se almacenaron muestras idénticas de tres polvos poliméricos diferentes durante 48 horas a 40°C, con y sin una carga normal aplicada adicionalmente de 2 kPa para simular el almacenamiento en un pequeño silo/contenedor. Las muestras se ensayaron utilizando el FT4 para evaluar el efecto del aumento de temperatura, y de la combinación de temperatura y consolidación moderada, sobre las propiedades de apelmazamiento.
El aumento de la energía de flujo entre las muestras frescas y las almacenadas indica que los tres materiales son sensibles al apelmazamiento como consecuencia de un almacenamiento prolongado y una temperatura elevada. Sin embargo, las tres muestras mostraron cambios relativamente comparables en la energía de flujo cuando se almacenaron en estado no consolidado. Por el contrario, los polímeros B y C mostraron aumentos significativos en la energía de flujo como resultado del almacenamiento bajo consolidación, probablemente debido a un mayor grado de deformación plástica impuesta por la combinación de temperatura elevada y tensión de consolidación. Por el contrario, el Polímero A presentó un menor aumento de la Energía de Flujo.
Esto ilustra que las condiciones de almacenamiento tendrán un efecto significativo en el comportamiento de almacenamiento resultante. Los polímeros B y C pueden no sufrir cambios significativos en su fluidez cuando se almacenan en pequeñas cantidades a temperaturas elevadas, pero cuando se almacenan en silos o bolsas bajo una carga de consolidación significativa, su fluidez cambiará drásticamente en comparación con el polímero A.
Otros ejemplos de apelmazamiento
Cuando se mezclan polvos, pueden producirse reacciones químicas entre los distintos componentes, lo que da lugar a la formación de enlaces químicos estables que provocan la aglomeración de la masa de polvo. Poder trazar el progreso de este tipo de apelmazamiento en función del tiempo permite a los ingenieros optimizar los tiempos y las cantidades de almacenamiento para evitar problemas durante el procesamiento.
Se almacenaron muestras idénticas de una mezcla en polvo de tres componentes, que se sabe que interactúan químicamente cuando se mezclan, durante un máximo de diez días en condiciones ambientales, con y sin una carga normal aplicada adicionalmente de 9 kPa para simular el almacenamiento en un silo/contenedor. Se probó una muestra de cada condición con el FT4 cada día para evaluar el aumento de la energía de flujo como resultado del almacenamiento.
En ambos conjuntos de condiciones, se observa poco o ningún aumento del flujo de energía durante los primeros cuatro días debido a la lentitud de la reacción entre los componentes. Sin embargo, a partir de ese momento, la velocidad de reacción aumenta y la mezcla empieza a apelmazarse. A medida que avanza la reacción, la energía de flujo aumenta rápidamente a medida que aumentan las interacciones químicas en la superficie de las partículas y la mezcla se apelmaza.
Durante el periodo inicial, el polvo consolidado se apelmaza marginalmente más que la muestra no consolidada, probablemente debido a la reducción de las distancias entre partículas y, en consecuencia, al aumento de las interacciones de van der Waals. Transcurridos cuatro días, cuando las reacciones químicas empiezan a influir significativamente en la energía de flujo, el grupo de prueba consolidado muestra un aumento mucho más acusado de la energía de flujo en comparación con la muestra no consolidada, un indicador más de que la reacción de apelmazamiento se ve favorecida por un empaquetamiento más estrecho de las partículas.
Los resultados obtenidos demuestran la necesidad de conocer a fondo los efectos de las interacciones químicas en la masa de un polvo.
Conclusión
Con el tiempo, la naturaleza fisicoquímica de algunos polvos sometidos a humedad, temperatura o tensión puede dar lugar al desarrollo de una estructura apelmazada. Esto puede ocurrir a través de una serie de mecanismos que claramente no se limitan a ninguno de estos factores externos, y puede tener un impacto significativo en las propiedades de flujo y por lo tanto el comportamiento de procesamiento y la calidad del producto final. En la mayoría de los casos, estos factores externos provocan una reducción de la fluidez, pero no siempre es así y, en determinadas circunstancias, la combinación de factores puede contribuir a que un polvo sea más fácil de mover que su homólogo fresco. Esto ilustra cómo la fluidez del polvo no es una propiedad inherente al material, sino que depende de las condiciones y del equipo en el que se procesa el polvo. El éxito del procesamiento exige que el polvo y el proceso estén bien adaptados, y no es raro que el mismo polvo funcione bien en un proceso pero mal en otro.
Independientemente del mecanismo, el FT4 es una potente herramienta que puede cuantificar eficazmente la propensión de un polvo a apelmazarse con respecto a sus propiedades de flujo, y esto, a su vez, puede ayudar a comprender y, en última instancia, adaptar tanto la formulación del polvo como el entorno de procesamiento para limitar el apelmazamiento y conservar una procesabilidad óptima.
Referencias
[1] Freeman R., Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders - A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell. Powder Technology, 25-33, 174, 1-2, 2007
[2] Katrina Brockbank, Brian Armstrong, Jamie Clayton, Measurement and quantification of caking in excipients and food productswith emphasis on the non-homogeneous interaction with ambient moisture. Particuology, 2020 - https://doi.org/10.1016/j.partic.2020.10.012
