¿Qué opciones existen para ampliaciones modulares (p. ej., puntos de dosificación adicionales, sensórica, válvulas) en plantas de mezclado?
Las ampliaciones modulares se refieren a módulos funcionales adicionales en una instalación de mezclado existente, por ejemplo puntos de dosificación, sensórica, válvulas, técnica de limpieza o de automatización. Son especialmente rentables cuando las conexiones mecánicas, el espacio, el suministro de medios, las reservas de control y el concepto de seguridad ya se previeron en el diseño original. Si faltan estos requisitos previos, las incorporaciones posteriores suelen seguir siendo posibles, pero generan un esfuerzo adicional de diseño, montaje, software, comprobación y, en su caso, de cualificación.
Un ámbito de ampliación habitual es la dosificación. Los sólidos pueden introducirse mediante dosificadores de tornillo adicionales, básculas dosificadoras diferenciales, válvulas rotativas o sistemas de microdosificación. Para los líquidos, según la viscosidad, la cantidad de dosificación, la temperatura, la resistencia química y el requisito de precisión, pueden considerarse, por ejemplo, bombas de membrana, peristálticas, de engranajes o de tornillo excéntrico. Las lanzas de líquido, las boquillas de inyección o las tuberías anulares pueden permitir la adición en la cámara de mezclado. No solo son decisivas la precisión de dosificación y el balance de masa, sino también el punto de introducción correcto, el tamaño de las gotas, la velocidad de dosificación y la intensidad de mezclado. De lo contrario, pueden producirse humectación local excesiva, aglomerados, incrustaciones o una distribución no uniforme del producto.
La sensórica adicional puede mejorar la conducción del proceso, el aseguramiento de la calidad y el mantenimiento. Solo son razonables los puntos de medición con un propósito de aplicación claro. Los sensores de temperatura, presión, vacío, nivel de llenado, caudal y de pesaje suelen proporcionar información de proceso directamente aprovechable. El par de giro, la corriente del motor, la vibración y la temperatura de los cojinetes pueden dar indicios sobre el comportamiento del producto, las incrustaciones o los cambios mecánicos. Sin embargo, sin una evaluación referida al producto y a la instalación, no constituyen una prueba directa de la calidad de mezcla o de la calidad del producto.
La analítica in-line más avanzada puede ser relevante según el proceso. Entre ella figuran, por ejemplo, la espectroscopia de infrarrojo cercano para investigar determinadas características del producto, la medición de caudal másico por efecto Coriolis para el balance de líquidos, la medición de humedad o la medición de conductividad en medios adecuados. La tecnología analítica de proceso, denominada generalmente PAT, puede reducir las muestras de laboratorio y hacer detectables antes las desviaciones. Sin embargo, presupone puntos de medición adecuados, calibración, mantenimiento, una interpretación de datos sólida y, en su caso, una validación. El valor de pH, el potencial redox, la turbidez o la refractometría son razonables sobre todo en sistemas líquidos o pastosos; para las mezclas de polvo secas, por lo general no son adecuados.
Las válvulas y accesorios son también módulos de ampliación típicos. Las válvulas de cierre y de regulación de accionamiento neumático o eléctrico pueden controlar medios líquidos, gaseosos, de vacío o de limpieza. Las válvulas de vías múltiples y los bloques de válvulas pueden conmutar corrientes de medios entre varios recipientes, puntos de dosificación o vías de limpieza. En aplicaciones higiénicamente exigentes, según el medio y la estrategia de limpieza, se consideran válvulas de membrana, de asiento o de doble asiento. Las válvulas de seguridad y los discos de ruptura pueden proteger frente a una sobrepresión o depresión no admisibles. Sin embargo, su diseño no es una medida estándar añadida a posteriori, sino que debe orientarse al cálculo de presión, los escenarios de diseño, el medio, la temperatura, las normas y la instalación existente.
Los módulos de bypass pueden incorporar filtros, intercambiadores de calor, homogeneizadores o circuitos externos. Solo tienen sentido cuando el proceso realmente permite una recirculación o un tratamiento externo. En muchos mezcladores de polvo de trabajo en seco, un circuito de producto similar al de un líquido no existe técnicamente o no es económico. En consecuencia, las tuberías con capacidad de raspado (molchables) son relevantes sobre todo para líquidos viscosos, pastas y sistemas de tuberías con producto; para los polvos secos, otras medidas, como el vaciado residual, una técnica de transporte adecuada y geometrías favorables a la limpieza, suelen ser más importantes.
Las ampliaciones mecánicas pueden comprender herramientas adicionales de mezclado o de desaglomeración, camisas de temperatura, conexiones de vacío, filtros, órganos de descarga o módulos de limpieza. Una herramienta de alta cizalla (high-shear), es decir, una herramienta con una elevada solicitación de cizalla, puede romper aglomerados o incorporar líquidos de forma más intensiva. Sin embargo, también puede dañar las partículas, aumentar la aportación de energía o modificar la distribución del tamaño de grano. Las camisas de temperatura pueden ser útiles en procesos exotérmicos o endotérmicos, pero necesitan medios de calefacción o refrigeración adecuados, una regulación apropiada y una evaluación de la transmisión de calor. El vacío puede favorecer la desgasificación o el secado, pero plantea mayores exigencias a la resistencia a la presión, la estanqueidad, la técnica de filtración y el concepto de seguridad.
Los sistemas de limpieza como Cleaning in Place, en forma abreviada CIP, o Sterilization in Place, en forma abreviada SIP, también pueden incorporarse posteriormente. CIP designa la limpieza en estado montado sin un desmontaje extenso; SIP, la esterilización en estado montado. Una incorporación posterior comprende no solo boquillas de lavado, sino también el suministro de medios, la técnica de válvulas, el retorno, la supervisión de conductividad, temperatura y caudal, así como un concepto eficaz de vaciado y secado. La eficacia real de limpieza o de esterilización debe demostrarse para el producto, la suciedad y el procedimiento; un ciclo de limpieza automatizado no está automáticamente validado.
Cada ampliación funcional necesita una integración de automatización adecuada. Entre ella figuran entradas y salidas libres, capacidad de red, reservas de armario eléctrico, lógica de control, conceptos de alarma y de enclavamiento, visualización y estados operativos seguros. Los módulos de entrada y salida descentralizados, denominados a menudo módulos I/O, pueden conectar válvulas, sensores y accionamientos cerca de la instalación. Interfaces como IO-Link, PROFINET, EtherCAT u otros estándares de comunicación y de bus de campo estandarizados pueden respaldar la comunicación. Su elección depende de la necesidad de tiempo real, de la automatización existente, de la ciberseguridad, del modelo de datos y de la facilidad de mantenimiento.
Para los procesos de mezclado orientados a lotes, la ampliación también debería integrarse en la lógica de formulación y de lote. La norma ISA-88 ofrece para ello modelos y conceptos para formulaciones, pasos de proceso, módulos de instalación y documentación de lote. Los nuevos puntos de dosificación o de medición no solo deben conectarse eléctricamente, sino integrarse en el control como fases de proceso controladas, con valores de consigna, valores límite, mensajes de error, liberaciones y registro.
Las descripciones de módulos neutrales respecto al fabricante pueden facilitar la integración por software de módulos de proceso adecuados y en gran medida autónomos. Estos estándares de descripción establecen de forma estructurada y neutral respecto al fabricante las funciones y las interfaces de automatización de un módulo, y son especialmente adecuados para módulos de proceso delimitados, como los skids de dosificación o de termostatización. Sin embargo, no sustituyen ni la integración mecánica ni la comprobación de la compatibilidad de producto, higiene, seguridad y proceso.
Un requisito previo para las incorporaciones posteriores rentables son unos diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID) actuales, planos de construcción, listas de conexiones, esquemas eléctricos, versiones de software, análisis de riesgos y una matriz de interfaces clara. Esta debe establecer dónde recaen las responsabilidades mecánicas, eléctricas, de medios, de control y de seguridad. En las instalaciones reguladas, los cambios deben evaluarse mediante control de cambios. Según el riesgo, son necesarias actualizaciones de las instrucciones de trabajo, los análisis de riesgos, los procedimientos de limpieza, el software de control, la documentación de cualificación y las validaciones.
Modularidad y posibilidad de incorporación posterior en amixon®
Una instalación de mezclado no es automáticamente modular solo porque pueda procesar diferentes formulaciones o pueda ofrecerse en varios tamaños de construcción. La modularidad real se refiere a módulos funcionales incorporables posteriormente y a interfaces claramente preparadas. Entre ellas figuran las conexiones mecánicas, el espacio constructivo suficiente, el suministro de medios, las reservas de control, la técnica de seguridad y los puntos de transferencia documentados. Cuando estos requisitos previos ya se tienen en cuenta en la User Requirement Specification, en forma abreviada URS, las ampliaciones posteriores pueden planificarse de forma considerablemente más controlada y económica. La URS es la especificación de requisitos documentada del explotador.
En amixon®, los aparatos pueden diseñarse de forma específica según el proyecto a partir de la URS. Cuando es previsible que más adelante se vayan a dosificar líquidos, registrar datos de proceso adicionales, regular temperaturas o ampliar funciones de limpieza, pueden preverse conexiones de reserva, bocas libres, posiciones de montaje, reservas de espacio, entradas y salidas adicionales, así como capacidades para energía, aire comprimido, vacío y medios de limpieza. Sin esta preparación, las incorporaciones posteriores no quedan excluidas, pero pueden requerir intervenciones considerables en el recipiente, las tuberías, la estructura portante, el control, el concepto de seguridad y la ejecución higiénica.
La posibilidad de procesar diferentes tamaños de lote o formulaciones con la misma máquina no es, en principio, una ampliación modular. En algunos mezcladores amixon®, según el producto y el diseño, pueden procesarse grados de llenado variables. Sin embargo, si realmente se alcanzan calidades de mezcla elevadas en un rango de aproximadamente el 10 al 100 por ciento de grado de llenado debe investigarse para la formulación correspondiente. Los polvos se diferencian en la densidad aparente, la distribución granulométrica, la humedad, la cohesión, el comportamiento de flujo, la abrasividad y la tendencia a la segregación. También el orden de dosificación, la proporción de líquido, la configuración de la herramienta y el tiempo de mezclado influyen considerablemente en el resultado. Por ello, un grado de llenado variable no es una prueba general de flexibilidad de proceso.
La intensidad de mezclado puede influirse mediante el tiempo de mezclado, la velocidad de giro, la ejecución de la herramienta y, en su caso, un rotor de corte o una herramienta de alta cizalla (high-shear). High shear significa alta solicitación de cizalla. Tales herramientas pueden, en determinadas aplicaciones, romper aglomerados o mejorar la incorporación de líquidos. Pero también pueden modificar la distribución granulométrica, introducir calor, dañar partículas sensibles, generar abrasión o empeorar la fluidez. Por ello, una mayor intensidad de mezclado no es generalmente mejor. Debe derivarse de un objetivo claro relacionado con el producto y la calidad.
Como módulos realmente incorporables posteriormente entran en consideración, según la situación de partida, por ejemplo dosificaciones de líquidos, lanzas de adición, boquillas de dos componentes, sensórica adicional, camisas de temperatura, conexiones de vacío, lanzas de lavado, sistemas Cleaning in Place o Wet in Place, órganos de descarga y funciones de dosificación. Cleaning in Place, en forma abreviada CIP, significa la limpieza en estado montado sin un desmontaje extenso. Wet in Place, en forma abreviada WIP, designa una limpieza en húmedo de la instalación montada, cuyo grado de automatización puede variar según el concepto.
La incorporación posterior de una dosificación de líquidos es más que el montaje de una bomba y una lanza. La cantidad de dosificación, la precisión de dosificación, la viscosidad, la temperatura, la compatibilidad química, la posición del punto de inyección, el tamaño de las gotas, el patrón de pulverización, la velocidad de dosificación y el flujo del producto determinan si el líquido se distribuye de forma uniforme. Un diseño desfavorable puede provocar humectaciones locales excesivas, aglomeración, incrustaciones, un empeoramiento de la fluidez o tiempos de limpieza más largos. Por ello, la función debería probarse con producto original y no diseñarse únicamente a partir de suposiciones geométricas.
Los sensores adicionales solo pueden generar beneficio cuando la magnitud de medición está claramente vinculada a una decisión o a una evaluación. Las mediciones de temperatura, presión, vacío, nivel de llenado y caudal pueden supervisar parámetros de proceso importantes. El par de giro, la corriente absorbida o las vibraciones pueden dar indicios sobre el grado de llenado, las incrustaciones, el comportamiento del producto o los cambios mecánicos. Pero no son una prueba directa de la calidad de mezcla, la homogeneidad o la calidad del producto. Si se incorporan sensores posteriormente, deben establecerse el lugar de montaje, el rango de medición, la precisión, la calibración, la limpiabilidad, la estanqueidad, la transmisión de datos, los límites de alarma y la reacción ante errores de medición.
Las camisas de temperatura o los sistemas externos de calefacción y refrigeración pueden ser útiles en procesos térmicamente sensibles, exotérmicos o endotérmicos. Sin embargo, necesitan conexiones de medios de dimensiones suficientes, una regulación adecuada, una evaluación de la solicitación de presión y temperatura, así como una comprobación de la transmisión de calor realmente alcanzable. Una camisa de temperatura puede limitar las desviaciones de temperatura, pero no garantiza una temperatura de producto uniforme en cualquier polvo o cualquier tamaño de lote.
Las funciones de vacío pueden ser útiles en la desgasificación, el secado o determinados pasos de reacción. Plantean mayores exigencias a la resistencia del recipiente, la estanqueidad, la técnica de filtración, los órganos de descarga, la evaluación de seguridad y, en su caso, la protección contra explosiones. Por ello, una incorporación posterior puede ser más extensa de lo que sugiere el simple montaje posterior de una boca de conexión.
Las lanzas de lavado, así como las funciones CIP o WIP, pueden apoyar la limpieza. Sin embargo, una lanza de lavado por sí sola no demuestra ni una humectación completa ni una limpieza eficaz. Para un diseño sólido deben evaluarse el patrón de pulverización, la disposición de las boquillas, el caudal, la presión, la química de limpieza, la temperatura, el tiempo de actuación, la situación de drenaje y la geometría de todas las superficies en contacto con el producto. En los ámbitos regulados, la eficacia de limpieza debe demostrarse en función del producto y de la suciedad. Una limpieza en húmedo automática no es automáticamente una limpieza validada.
Los órganos de descarga como DosiFlap® pueden integrarse en la instalación de forma específica según el proyecto. Pueden apoyar una entrega controlada del producto, la estanqueidad de la cámara de mezclado y, en su caso, un mejor vaciado. Si realmente cumplen una función de dosificación precisa depende del comportamiento de flujo, la densidad aparente, la cantidad de dosificación, la tolerancia, el concepto de pesaje, las condiciones de presión y la técnica de envasado o transporte posterior. Para envasados gravimétricamente precisos suele ser necesaria una técnica de pesaje coordinada. La selección de un órgano de descarga debe tener en cuenta además la limpiabilidad, la contención, el funcionamiento con presión y vacío, así como la interfaz con la instalación siguiente.
El cambio a un tamaño de construcción de mezclador mayor o menor no es una ampliación modular, sino una adaptación de capacidad. Aunque el principio de mezclado permanezca igual, las formulaciones y los parámetros no pueden transferirse de forma general. Pueden cambiar las condiciones de flujo, el grado de llenado, la velocidad periférica, la aportación de energía, la transmisión de calor, el tiempo de mezclado, el vaciado y la solicitación del producto. Según indica la propia empresa, amixon® ofrece, para determinadas series, tamaños de construcción en pasos de 100 litros hasta 50 metros cúbicos, y el mezclador Gyraton® hasta 100 metros cúbicos. Esta selección permite elegir una instalación adecuada, pero no sustituye los ensayos de escalado para el producto concreto.
En el mezclador de contenedores tipo COM, los Mixtainer® adicionales pueden hacer más flexible el sistema global, al desacoplar el pesaje, el mezclado, la limpieza, el almacenamiento intermedio, el transporte y el envasado entre sí. Esto no es una ampliación modular del mezclador, pero puede mejorar la capacidad del sistema global. El beneficio depende del número de contenedores, la logística, la limpieza, los tiempos de mezclado, las liberaciones y el rendimiento de los pasos de proceso posteriores. Sin una consideración de la capacidad, la inversión en más recipientes puede limitarse a desplazar el cuello de botella a otro punto.
amixon® puede apoyar incorporaciones posteriores técnicas, modernizaciones y ensayos en el centro de ensayos. Según amixon®, en Paderborn hay disponibles más de 30 máquinas de prueba; se operan otros centros de ensayos en los Estados Unidos y varios países asiáticos. Con el producto original pueden evaluarse, entre otros aspectos, la distribución de líquidos, la calidad de mezcla, la desaglomeración, la evolución de la temperatura, la aportación de energía, el vaciado, las adherencias y la limpiabilidad. Tales ensayos son especialmente valiosos para una incorporación posterior, porque comprueban las suposiciones sobre el comportamiento del producto. Sin embargo, solo constituyen una base para el diseño y no sustituyen la recepción, la evaluación de seguridad ni, en su caso, la recualificación de la instalación reconvertida en el emplazamiento de producción real.
Los programas de mezclado pueden gestionarse en un controlador lógico programable, en forma abreviada PLC, y ejecutarse por lotes. Un PLC es un ordenador industrial para el control de máquinas y procesos. La conexión específica del proyecto a un Enterprise Resource Planning System, en forma abreviada sistema ERP, o a un Manufacturing Execution System, en forma abreviada MES, puede vincular entre sí la formulación, el lote y los parámetros de proceso. Un sistema ERP respalda la gestión de pedidos, materiales y recursos empresariales. Un MES respalda la producción operativa, el registro de datos y la documentación de lote. Los escáneres de código de barras pueden respaldar la identificación de material. Para que una solución de este tipo funcione de forma fiable, deben establecerse el modelo de datos, las marcas de tiempo, la versión de formulación, los derechos de usuario, la integridad de los datos, las pistas de auditoría y el comportamiento ante fallos de comunicación.
Para aplicaciones reguladas, amixon® puede proporcionar documentación para la cualificación y apoyar en la Design Qualification, en forma abreviada DQ, la Installation Qualification, en forma abreviada IQ, y la Operational Qualification, en forma abreviada OQ. La DQ documenta que el diseño de la instalación cumple los requisitos establecidos. La IQ confirma la instalación correcta. La OQ demuestra que la instalación funciona dentro del rango operativo definido. La ejecución técnica puede adaptarse a requisitos específicos del proyecto, como Good Manufacturing Practice, en forma abreviada GMP, ATEX, EHEDG, los requisitos de la FDA, las 3-A Sanitary Standards o ASME. La responsabilidad regulatoria, la evaluación de los cambios, la validación de limpieza y de proceso, así como la validación de los sistemas electrónicos, permanecen en el explotador.
Resumen
Las instalaciones amixon® pueden prepararse para futuros módulos funcionales, como la dosificación de líquidos, la sensórica, la termostatización, el vacío, la técnica de limpieza y de descarga. Sin embargo, el beneficio y el esfuerzo de una incorporación posterior dependen de forma decisiva de si las conexiones, el espacio constructivo, los medios, el control, la seguridad y la limpiabilidad ya se tuvieron en cuenta en el diseño original. Los grados de llenado cambiantes, las nuevas formulaciones o un tamaño de construcción distinto no son ampliaciones modulares y deben evaluarse desde el punto de vista de la ingeniería de procesos para el producto real y la instalación de destino concreta.