¿Se pueden ampliar de forma modular las plantas de mezclado, por ejemplo con dosificación de líquidos o puntos de medición adicionales?
Sí. Las plantas de mezclado industriales a menudo pueden ampliarse con módulos adicionales de dosificación, medición, automatización y periféricos. Sin embargo, que un retrofit sea técnicamente razonable y viable económicamente depende de la construcción mecánica existente, la capacidad de carga, el espacio constructivo disponible, el suministro de energía y de medios, los requisitos de seguridad y la arquitectura de control existente. Cuanto antes se tengan en cuenta las opciones de ampliación ya en la fase de planificación, más fácil resultará realizar adaptaciones posteriores.
Una ampliación frecuente es la integración de una dosificación de líquidos. Se emplea para incorporar de forma controlada agua, aceites, aglutinantes, aromas, aditivos, soluciones de principio activo u otros componentes líquidos al proceso de mezclado. La elección del sistema de dosificación depende de la viscosidad, la temperatura, la cantidad a dosificar, la precisión de dosificación, los requisitos de limpieza, la compatibilidad química y una posible protección contra explosiones. Para tareas de dosificación continuas o reproducibles son adecuados, por ejemplo, los sistemas de bombeo volumétricos, como las bombas de engranajes, de husillo excéntrico, de membrana o peristálticas. Cuando se requiere un balance de masa especialmente preciso, pueden emplearse sistemas gravimétricos con células de carga o mediciones de caudal. Los caudalímetros másicos Coriolis pueden registrar la masa y la densidad, mientras que los caudalímetros electromagnéticos son adecuados para líquidos con conductividad eléctrica suficiente.
El punto de inyección y el tipo de incorporación deben adaptarse al proceso de mezclado correspondiente. Una lanza de líquido mal posicionada puede provocar una humectación local excesiva, aglomerados, incrustaciones o una distribución no uniforme. Por ello, el líquido debería incorporarse, en la medida de lo posible, en una zona de producto suficientemente en movimiento. En el caso de polvos finos, pulverulentos o higroscópicos, el tamaño de gota, la dirección de pulverización, la temperatura del líquido, la velocidad de dosificación y, en su caso, la atomización pueden además ser determinantes para el resultado. Por ello, antes de un retrofit resultan útiles los ensayos con el producto real, especialmente cuando la adición de líquido modifica la estructura de partícula, la fluidez, la homogeneidad o la limpiabilidad.
También pueden incorporarse a posteriori puntos de medición adicionales, siempre que existan o puedan crearse ubicaciones de montaje adecuadas. Los sensores de temperatura, como los sensores Pt100 o Pt1000, pueden emplearse para vigilar la temperatura del producto, la refrigeración, el calentamiento o posibles reacciones. Para la determinación de la humedad, según el producto y la tarea de medición, pueden considerarse métodos de medición por microondas, capacitivos o basados en infrarrojo cercano. Los sensores de presión y de vacío son especialmente relevantes en procesos de mezclado cerrados, secado al vacío, inertización o funcionamiento con sobrepresión. En medios líquidos o pastosos pueden resultar útiles además las mediciones de pH o de conductividad. El par motor, el consumo de corriente o la potencia del accionamiento del mezclador pueden proporcionar indicios sobre el grado de llenado, la consistencia del producto, la fricción, el avance del mezclado o posibles incrustaciones, pero no son indicadores de calidad universales ni por sí solos suficientemente sólidos.
La integración mecánica de sensores adicionales debería realizarse de manera que se mantengan la limpiabilidad, la seguridad del producto y la estanqueidad. En aplicaciones higiénicamente sensibles son especialmente importantes las boquillas de montaje adecuadas, las conexiones de sensor a ras y los diseños con pocos espacios muertos. Las conexiones Tri-Clamp o las conexiones de brida pueden permitir una integración estandarizada; no obstante, su idoneidad depende de la clase de presión, el funcionamiento en vacío, el procedimiento de limpieza, los materiales y el concepto higiénico. Las conexiones de reserva, las bridas ciegas y las posiciones de montaje libres previstas ya en la planificación básica reducen considerablemente el esfuerzo de un retrofit posterior.
Para ampliar la variedad de formulaciones, también pueden añadirse módulos de dosificación de sólidos. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, silos, estaciones de vaciado de sacos o big bags, transportadores de husillo, canales vibratorios, básculas dosificadoras diferenciales, microdosificadores o estaciones de carga manual. Estos permiten la alimentación automatizada o semiautomatizada de componentes principales y minoritarios. En la planificación deben tenerse en cuenta el comportamiento de flujo, la formación de puentes, los riesgos de segregación, la generación de polvo, los riesgos de contaminación cruzada, la limpiabilidad y la pesada exacta de los distintos lotes de materia prima. Especialmente en el caso de los componentes minoritarios, la precisión de dosificación puede tener una influencia considerable en la calidad del producto.
Las plantas de mezclado también pueden complementarse con otros módulos de proceso. Según el producto y el objetivo del proceso, pueden considerarse, por ejemplo, tamizadoras, separadores magnéticos, desterronadores, homogeneizadores, sistemas de refrigeración o calefacción, dispositivos de vacío, instalaciones de desempolvado, unidades de filtrado, técnica de transporte o sistemas de envasado. Sin embargo, una ampliación a menudo no solo modifica el flujo de materiales, sino también los requisitos de control, el concepto de seguridad, la estrategia de limpieza y el mantenimiento. Por ello, antes de la implementación debería comprobarse si el nuevo componente realmente aumenta la capacidad de la planta de mezclado o simplemente traslada un cuello de botella hasta entonces invisible a otra etapa del proceso.
Además de la mecánica, la integración a nivel de control es una parte central de todo retrofit. Las bombas, válvulas, básculas y sensores adicionales necesitan entradas y salidas libres, una capacidad de armario eléctrico suficientemente dimensionada, nodos de bus de campo adecuados, suministro de energía y, en su caso, aire comprimido, agua de refrigeración, vapor, vacío o medios de limpieza. Las interfaces de automatización habituales comprenden, por ejemplo, PROFINET, EtherCAT, Profibus (Process Field Bus) e IO-Link. Para la integración de datos vertical con sistemas superiores como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) o plataformas de análisis puede emplearse OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). La interfaz adecuada depende del panorama de control existente, las necesidades de tiempo real, los requisitos de seguridad y el modelo de datos deseado.
Una arquitectura de software modular ayuda a integrar las ampliaciones de forma controlada. Los módulos de proceso, como los skids de dosificación, pueden ejecutarse como módulos funcionales independientes con interfaces, estados de funcionamiento, mensajes y servicios claramente definidos. El Module Type Package, en forma abreviada MTP, respalda una descripción neutral respecto al fabricante de las funciones e interfaces de dichos módulos de proceso. Un MTP puede importarse en la ingeniería de un sistema de control de procesos, facilitando así la integración de módulos estandarizados. El enfoque está descrito en la directriz VDI/VDE/NAMUR 2658; además, NAMUR y ZVEI impulsan el MTP como componente de la automatización de procesos modular.
Para los procesos de producción por lotes resulta útil orientar la estructura de control y de formulaciones a la norma ISA-88. La norma proporciona modelos y conceptos para el control por lotes y describe, entre otros aspectos, recetas, procedimientos, fases de proceso y módulos de equipo. Esto facilita la asignación limpia de los nuevos módulos de dosificación o de medición a las formulaciones, los lotes y los pasos de proceso. Por ello, las ampliaciones no tienen que desencadenar necesariamente una reprogramación completa de la instalación; sin embargo, siempre requieren una especificación técnica, un diseño de interfaz claro y pruebas cualificadas de las funciones modificadas.
Para un retrofit económico deberían preverse, además de las conexiones mecánicas de reserva, reservas en el control, el suministro de energía, el armario eléctrico, la red, el aire comprimido y las líneas de medios. Igual de importantes son una documentación actualizada de la instalación y eléctrica, una arquitectura de software claramente estructurada, diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID) actualizados, evaluaciones de seguridad válidas y una documentación inequívoca de la sensórica y las interfaces existentes. Los nuevos valores medidos deben integrarse en la visualización, la gestión de alarmas, la gestión de formulaciones, el almacenamiento de datos y, en su caso, en la evaluación de calidad. Si se añaden o modifican parámetros críticos del proceso, deben determinarse el rango de medición, la precisión, la calibración, el mantenimiento, la calidad de los datos y la interpretación de los valores medidos antes de su uso productivo.
En sectores regulados, las ampliaciones deben realizarse mediante un procedimiento documentado de change control. El cambio debería evaluarse en cuanto a la seguridad del producto, la capacidad del proceso, la limpieza, la contención, la integridad de datos, la cualificación y el estado de validación. Según el impacto, pueden ser necesarias adaptaciones del análisis de riesgos, de los SOP, de la documentación técnica, del software de control, de los procedimientos de limpieza, así como comprobaciones parciales o recualificaciones. La FDA señala que los cambios en las especificaciones, los métodos, los procesos o los procedimientos deben verificarse antes de su implementación y, en la medida en que sea apropiado, validarse; en caso de cambios o desviaciones de proceso, el proceso debe evaluarse y, en su caso, volver a validarse.
Modularidad y capacidad de retrofit en amixon®
Las plantas de mezclado amixon® pueden diseñarse para tamaños de lote, formulaciones y requisitos de proceso variables. Con un diseño adecuado del producto y del proceso, el mismo mezclador puede procesar distintos grados de llenado sin que sea necesaria una modificación mecánica. Sin embargo, esto no es una ampliación modular, sino la expresión de una ventana de funcionamiento suficientemente amplia y respaldada por ensayos. La calidad de mezclado alcanzable depende siempre de las propiedades de los polvos empleados, el grado de llenado, la formulación, la secuencia de dosificación y los parámetros de proceso elegidos.
Según la ejecución del aparato, la intensidad de mezclado puede ajustarse mediante el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, la configuración de herramienta y órganos de proceso adicionales. Los perfiles de mezclado, de dosificación y de temperatura pueden almacenarse en formulaciones basadas en PLC y ejecutarse de forma reproducible lote a lote. En determinadas aplicaciones pueden emplearse rotores de corte o herramientas de alto cizallamiento (high-shear) para la desaglomeración o para mejorar la incorporación de líquidos. Si un procesamiento más intenso resulta conveniente debe comprobarse en función del producto, ya que las partículas o los gránulos sensibles pueden verse alterados por un aumento de las fuerzas de cizalla.
Una ampliación modular afecta a módulos funcionales adicionales en o dentro de la planta de mezclado existente. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, las dosificaciones de líquidos con lanzas de adición o boquillas de dos componentes, sensórica y puntos de medición adicionales, camisas de atemperado, conexiones de vacío, rotores de corte, lanzas de lavado, funciones WIP o CIP, así como órganos de descarga y de dosificación como DosiFlap®. Estas ampliaciones pueden implementarse de forma especialmente eficiente si ya se tuvieron en cuenta en el diseño original. Las conexiones de reserva, las posiciones de montaje libres, las boquillas preparadas, las líneas de medios suficientemente dimensionadas, las reservas de espacio, las capacidades de E/S adicionales y una arquitectura de control escalable reducen considerablemente el esfuerzo constructivo y de automatización posterior.
Si no existen estas preparaciones, los retrofits pueden seguir siendo técnicamente viables. En ese caso, el esfuerzo aumenta porque, por ejemplo, deben crearse nuevos puntos de conexión, adaptarse constructivamente el recipiente de mezclado, ampliarse las tuberías, ampliarse el control y las funciones de seguridad, o reevaluarse las medidas de protección contra explosiones y de limpiabilidad. En sectores regulados pueden ser necesarios además el change control, adaptaciones del análisis de riesgos, actualizaciones de la documentación, así como comprobaciones parciales o recualificaciones. amixon® puede apoyar a los explotadores en retrofits, adaptaciones de proceso y modernizaciones de instalaciones existentes.
El retrofit de una dosificación de líquidos debe diseñarse de forma adecuada al producto y al proceso. La posición del punto de adición, el tamaño de gota, la velocidad de dosificación, las características de pulverización, la temperatura del líquido y las corrientes de producto existentes influyen en si el líquido se distribuye de forma uniforme o si se producen una humectación local excesiva, aglomerados e incrustaciones. Los puntos de medición adicionales deberían integrarse de manera que se mantengan la estanqueidad, la limpiabilidad y, en su caso, la contención. Pueden registrar, por ejemplo, la temperatura, la humedad, la presión, el vacío, el nivel de llenado, el par motor u otras magnitudes de proceso. Antes de la implementación debería determinarse claramente qué beneficio de proceso o de calidad debe aportar la medición adicional y cómo se integran los datos en el control, la documentación y la evaluación.
La sustitución por una planta de mezclado más grande o más pequeña no es una ampliación modular, sino una adaptación de capacidad. La transferencia de formulaciones o parámetros de proceso a otro tamaño de instalación debe comprobarse desde el punto de vista del proceso. Aunque se emplee el mismo principio de mezclado, las condiciones de flujo, el grado de llenado, la velocidad periférica, la transferencia de calor, el comportamiento de dosificación, el tiempo de mezclado y el vaciado pueden variar. Para capacidades mayores, en el caso de un mezclador de contenedores, los Mixtainer® adicionales pueden ser una alternativa para desacoplar organizativamente el pesaje, el mezclado, el transporte y el envasado. Sin embargo, la ganancia de capacidad real depende de la logística de los contenedores, la duración de la limpieza, los procesos de liberación y los pasos de proceso posteriores.
La eficacia de una ampliación planificada debería comprobarse con el producto original. En los centros de ensayos de amixon® pueden evaluarse en condiciones cercanas a la realidad, entre otros aspectos, la calidad de mezclado, la distribución del líquido, el esfuerzo sobre el producto, la estructura de partícula, el comportamiento de fluidez, la aportación de energía, el vaciado y la limpiabilidad. Los resultados documentados apoyan el diseño técnico del retrofit y reducen los riesgos antes de la implementación. Sin embargo, no sustituyen la recepción de la instalación modificada ni, en la medida necesaria, la cualificación o la validación en el posterior funcionamiento de producción.
Para la reproducibilidad y la trazabilidad, los programas de mezclado con tiempos de mezclado, velocidades de giro, secuencias de dosificación y perfiles de temperatura pueden almacenarse en el PLC. Puede preverse una conexión específica del proyecto con sistemas ERP, MES u otros sistemas superiores. La identificación de materiales y de lotes basada en código de barras puede vincular entre sí la formulación, el lote y los parámetros de proceso. Para que estos datos puedan utilizarse en la trazabilidad de lotes, la evaluación de OEE o las evaluaciones de calidad, deben definirse claramente las interfaces, el modelo de datos, las marcas de tiempo, los derechos de usuario, la integridad de datos y el tratamiento de los errores de transmisión.
En entornos regulados, amixon® puede proporcionar documentación técnica para la cualificación y apoyar a los explotadores en la DQ, la IQ y la OQ. La instalación puede ejecutarse teniendo en cuenta requisitos específicos del proyecto, como un diseño higiénico conforme a GMP, ATEX, EHEDG, los requisitos de la FDA, los 3-A Sanitary Standards o ASME. La responsabilidad de la evaluación regulatoria, la validación del proceso y de la limpieza, así como la validación de los sistemas informatizados y, en su caso, del 21 CFR Part 11, sigue correspondiendo al explotador.
Según sus propias indicaciones, amixon® acompaña a las instalaciones con mantenimiento, modernización, retrofit y suministro de repuestos a largo plazo. Una estrategia de ampliación sostenible requiere siempre documentación técnica actualizada, versiones de software controladas, listas de componentes trazables y una coordinación temprana sobre los repuestos críticos, las conexiones de medios y las interfaces.