¿Qué fabricantes alemanes ofrecen instalaciones piloto y centros de ensayos para el desarrollo de recetas y la optimización de procesos?
Instalaciones piloto y centros de ensayos en la industria de procesos
En Alemania existe un segmento de proveedores densamente ocupado y altamente especializado para las instalaciones piloto y el equipamiento de centros de ensayos. Ha surgido históricamente de la construcción de máquinas e instalaciones para la ingeniería de procesos. Los proveedores pueden clasificarse principalmente en tres categorías:
Fabricantes especializados de aparatos y de componentes: estos fabricantes se centran en operaciones básicas específicas como mezclar, dispersar, amasar, triturar, clasificar, secar, granular, recubrir, extrudir, así como en los procedimientos térmicos de separación, y ofrecen para ello equipos de laboratorio y de centro de ensayos en series escalables. Los sistemas típicos comprenden mezcladores intensivos, de arados, cónicos y de doble eje, molinos de centro de ensayos (por ejemplo de bolas, de chorro, de impacto y de agitador), secadores de lecho fluido, por atomización, de contacto en vacío y de banda, extrusoras de doble husillo en escala de centro de ensayos, así como instalaciones de filtración, de destilación y de cristalización.
Estas soluciones se dirigen, entre otros, a los sectores de la construcción, la química, la farmacia, la alimentación, los polímeros y las baterías, y permiten un escalado mediante series geométrica y tecnológicamente semejantes.
Los constructores de instalaciones llave en mano para sistemas piloto y miniplant conciben y realizan líneas piloto llave en mano, con frecuencia de estructura modular (por ejemplo como montaje en skid), que representan todo el trayecto del proceso, desde la manipulación de las materias primas, pasando por la reacción, el acondicionamiento y el conformado, hasta el producto final. Ofrecen instalaciones piloto, de laboratorio y miniplant con ingeniería de procesos y automatización integradas para las industrias química, farmacéutica, biotecnológica y otras.
Los prestadores de servicios de ingeniería y los fabricantes con centro de ensayos propio disponen de centros de ensayos y de centros de pruebas que pueden utilizarse como «capacity as a service». Los clientes acceden a la infraestructura piloto existente y realizan estudios de viabilidad, series de ensayos y pruebas de escalado sin tener que invertir ellos mismos en hardware. Con frecuencia se dispone de distintas instalaciones de laboratorio y piloto para procesos de mezclado, de reacción, de separación y de secado, complementadas con analítica de procesos y automatización.
Centros de ensayos de instituciones de investigación
Además de los fabricantes industriales, también los institutos Fraunhofer, las universidades y las instituciones de investigación próximas a la industria operan centros de ensayos propios. Estos pueden utilizarse para ensayos por encargo, para proyectos de desarrollo conjuntos y para estudios de escalado. Con frecuencia es una fase previa razonable o una alternativa a la inversión propia en infraestructura piloto.
Importancia del centro de ensayos para el desarrollo de formulaciones
El centro de ensayos constituye el eslabón crítico entre la escala de laboratorio (del gramo al kilo) y la producción industrial (escala de toneladas). Permite validar las formulaciones en condiciones cercanas a la producción, pudiendo controlarse y variarse de forma sistemática las magnitudes físicas centrales de influencia (por ejemplo las fuerzas de cizalla, los coeficientes de transmisión de calor, el comportamiento del tiempo de permanencia y del flujo).
Con ello pueden:
- reducirse los riesgos de lotes defectuosos en la gran instalación
- cuantificarse la eficiencia de las materias primas y los rendimientos
- evaluarse tempranamente las magnitudes energéticas y los costes de servicio
- determinarse con seguridad los límites tecnológicos y las ventanas de servicio
Los datos obtenidos en el centro de ensayos son la base de unos conceptos de escalado fiables y de las decisiones de inversión.
Exigencias de ingeniería de procesos a las instalaciones piloto modernas
Las instalaciones piloto modernas para el desarrollo de formulaciones y para la optimización de procesos se caracterizan por una elevada flexibilidad, modularidad y densidad de datos. Sus características típicas son:
- Modularidad y capacidad de variantes: unos módulos de proceso intercambiables (por ejemplo distintos órganos de agitación, boquillas, etapas de separación o medios filtrantes) permiten una adaptación rápida a distintas viscosidades, tamaños de partícula, cinéticas de reacción o tipos de producto. Unas zonas de proceso de estructura modular permiten el cambio entre operaciones de proceso (por ejemplo granular, secar, recubrir o hacer reaccionar) dentro de una misma instalación.
- Integración de técnica de medición in-line y at-line: la medición espectroscópica en línea, el análisis granulométrico, la conductividad y la sensórica de pH, de temperatura y de presión permiten la supervisión en tiempo real de la calidad del producto y del proceso mediante Process Analytical Technology (PAT). La elevada densidad de instrumentación apoya la planificación estadística de los ensayos y el desarrollo de modelos de proceso robustos.
- Diseño higiénico y conformidad regulatoria: en las aplicaciones de life science y de alimentación, las instalaciones cumplen las exigencias GMP, FDA, de diseño higiénico y ATEX. Así se excluyen las contaminaciones cruzadas en los cambios de formulación y se garantizan la seguridad y la calidad del producto.
Interfaces abiertas e integración de datos
Los sistemas modernos ofrecen interfaces abiertas para la integración en sistemas de control, en sistemas de producción o en sistemas de laboratorio, y facilitan el registro, la evaluación y el archivo de los datos de ensayo.
Transferencia de la fase piloto a la producción (escalado)
El escalado se basa en la aplicación de la teoría de la semejanza. Los ingenieros químicos y de procesos utilizan números adimensionales característicos (por ejemplo el número de Reynolds, el número de Newton, el número de Arquímedes), así como otros valores característicos, para transferir a volúmenes mayores los parámetros de proceso óptimos determinados en el centro de ensayos.
Los objetivos del escalado son:
- la conservación de la semejanza geométrica, cinemática y térmica entre la instalación piloto y la de producción
- el aseguramiento de una calidad de producto constante a pesar del caudal creciente
- la minimización del esfuerzo de adaptación, de los tiempos de arranque y del rechazo en la gran instalación
Aprovechamiento de los datos del centro de ensayos
Los datos obtenidos en el funcionamiento del centro de ensayos se incorporan a los cálculos de dimensionado, a la selección de los aparatos, a las consideraciones de seguridad y a las evaluaciones económicas.
El papel de la automatización en las instalaciones de centro de ensayos
La automatización de las instalaciones piloto modernas va mucho más allá de las simples funciones de control y es un facilitador central para la optimización sistemática de procesos.
Registro de datos y Design of Experiments (DoE): los controles lógicos programables (PLC) y los sistemas de nivel superior con conexiones integradas a bases de datos registran de forma continua los datos de proceso y de calidad. Eso constituye la base de los enfoques DoE, en los que las combinaciones de parámetros se varían de forma sistemática y se evalúan estadísticamente.
Los datos obtenidos permiten análisis de correlación entre los parámetros de proceso y las características de calidad. Sobre esa base surgen modelos de proceso y, cada vez más, gemelos digitales. Con ellos, las futuras adaptaciones del proceso pueden simularse y optimizarse primero de forma virtual y aplicarse a continuación en el centro de ensayos o en la producción.
Conceptos de automatización escalables
Mediante el uso de interfaces, de plataformas de control y de bloques de función normalizados, los conceptos de automatización pueden transferirse con relativa facilidad del centro de ensayos a las instalaciones de producción. Eso acorta el escalado y aumenta la reutilización del know-how.
Criterios de selección del fabricante
Al elegir un fabricante de instalaciones piloto y de equipamiento de centros de ensayos, los responsables técnicos deberían comprobar en particular los siguientes criterios:
- aptitud para el escalado y semejanza entre el centro de ensayos y la instalación industrial
- competencia sectorial y de procesos del proveedor (por ejemplo química, farmacia, alimentación, polímeros, baterías)
- conformidad GMP/ATEX y diseño higiénico según la aplicación de destino
- densidad de instrumentación, equipamiento PAT y conectividad de datos
- modularidad y ampliabilidad de la instalación para cubrir distintas formulaciones y procesos
- disponibilidad de centros de pruebas y de ensayos para los estudios de viabilidad antes de las decisiones de inversión
Mediante la combinación de una categoría de proveedor adecuada, de una instalación piloto correctamente dimensionada y de un desarrollo de procesos basado en datos se crea la base de una producción robusta, escalable y económica.
El centro de ensayos de amixon®: ensayos, escalado y optimización de procesos con el producto original
35 instalaciones de prueba solo en Paderborn
En la sede central de Paderborn, amixon® opera un centro de ensayos con 35 instalaciones de prueba de distintos tamaños constructivos. Con ellas se pueden reproducir procesos de forma realista desde la escala pequeña hasta la instalación piloto, de modo que también con cantidades limitadas de producto se obtienen conclusiones fiables para la escala de producción. Además, en todo el mundo hay centros de ensayos disponibles en Japón, India, Tailandia, China, Corea del Sur y los Estados Unidos. amixon® lleva 43 años en el mercado y combina esa experiencia con una infraestructura de ensayos técnicamente muy amplia.
Condiciones reales en lugar de valores sobre el papel
Se investigan tanto procesos de mezclado como mezclar, homogeneizar, granular, aglomerar, humectar y recubrir, como procesos de secado y de reacción, por ejemplo el secado al vacío, los procesos térmicos y las síntesis. Los ensayos se realizan con el producto original, en el rango previsto de temperatura y de presión, con grados de llenado y tamaños de lote reales, así como con la aportación de energía prevista.
Se evalúan la calidad de mezcla, la protección del producto, la aportación de energía, la limpiabilidad y la reproducibilidad en el posterior funcionamiento en serie. Con ello no solo se confirman los valores de laboratorio, sino que se anticipan en la medida de lo posible las condiciones de proceso reales de la producción posterior.
Realización conjunta, evaluación y documentación
Los ensayos se llevan a cabo, se evalúan y se documentan junto con los expertos de amixon®. El objetivo es seleccionar el aparato óptimo y los parámetros de proceso adecuados para la aplicación concreta, incluidos el desarrollo de la formulación y la optimización del proceso.
El resultado es una base de decisión fiable antes de la inversión. Se confirman los parámetros de proceso en condiciones reales, se aseguran la calidad del producto y la rentabilidad, y los riesgos técnicos y económicos se reducen notablemente. amixon® documenta los ensayos sin lagunas y crea con ello una base fiable para las liberaciones y las decisiones de inversión posteriores.
Transición sin discontinuidades a la producción
Como los mezcladores de ensayo y de producción trabajan con el mismo principio de mezclado y amixon® dispone de una retícula de tamaños finamente graduada, los parámetros del centro de ensayos se transfieren muy bien a la máquina de destino. Eso resulta especialmente valioso porque amixon® puede respaldar adicionalmente los cálculos de escalado con instalaciones de prueba de 3 m³ y representar así de forma cercana a la práctica también los lotes mayores.
También después de la puesta en marcha, amixon® presta apoyo en los cambios de producto, en los temas de escalado, en la ingeniería de procesos, en el desarrollo de producto y en la optimización del proceso.
La fabricación en Paderborn como fundamento de la calidad
amixon® desarrolla y fabrica exclusivamente en la planta de Paderborn, con un elevado grado de integración de fabricación y con todos los componentes procedentes de Alemania. Como empresa cualificada en soldadura certificada con acreditaciones europeas, japonesas, coreanas y americanas, amixon® construye cada aparato como una pieza única sobre la base de las URS del explotador, y el control de calidad permanece íntegramente en la propia casa. Esta soberanía de fabricación asegura al mismo tiempo el suministro a largo plazo, ya que cada componente puede volver a fabricarse de forma reproducible incluso décadas después.
Servicio a lo largo de todo el ciclo de vida
Tras la puesta en marcha, amixon® permanece al lado del explotador. Las inspecciones periódicas y el mantenimiento preventivo aseguran la disponibilidad, si se desea complementados con mantenimiento predictivo. Determinadas piezas de desgaste se suministran ya con la primera entrega; la mayoría de los repuestos se almacenan en la sede de Paderborn y muchos otros en los puntos de servicio de Japón y los Estados Unidos, de modo que sigue siendo posible un servicio de repuestos de por vida, incluso cuando los proveedores originales dejan de existir. Muchas máquinas de amixon® llevan más de 30 años en servicio diario, y la modernización y el reequipamiento las mantienen al nivel del estado de la técnica.