Impianti pilota e centri prove nell'industria di processo

In Germania esiste un segmento di fornitori densamente occupato e altamente specializzato per gli impianti pilota e l'attrezzatura da centro prove. Storicamente è nato dalla costruzione di macchine e impianti per l'ingegneria di processo. I fornitori si possono suddividere principalmente in tre categorie:

Costruttori specializzati di apparecchi e di componenti: Questi produttori si concentrano su operazioni unitarie specifiche quali miscelare, disperdere, impastare, frantumare, classificare, essiccare, granulare, rivestire, estrudere nonché sui procedimenti termici di separazione e offrono a tale scopo aggregati da laboratorio e da centro prove in serie scalabili. I sistemi tipici comprendono miscelatori intensivi, a vomeri, conici e a due alberi, mulini da centro prove (per esempio mulini a sfere, a getto, a urto e ad agitazione), essiccatori a letto fluido, a spruzzo, a contatto sottovuoto e a nastro, estrusori a doppia vite in scala da centro prove nonché impianti di filtrazione, di distillazione e di cristallizzazione.

Queste soluzioni si rivolgono, tra l'altro, all'industria delle costruzioni, chimica, farmaceutica, alimentare, dei polimeri e delle batterie e consentono uno scale-up mediante serie simili dal punto di vista geometrico e dell'ingegneria di processo.

I costruttori di impianti turnkey per sistemi pilota e miniplant concepiscono e realizzano linee pilota chiavi in mano, spesso a struttura modulare (per esempio come montaggio su skid), che rappresentano l'intero percorso di processo, dalla movimentazione delle materie prime attraverso reazione, preparazione e formatura fino al prodotto finito. Essi offrono impianti pilota, di laboratorio e miniplant con ingegneria di processo e automazione integrate per l'industria chimica, farmaceutica, biotecnologica e per altri settori.

I prestatori di servizi di engineering e i produttori con centro prove proprio dispongono di centri prove e di centri di sperimentazione che si possono utilizzare come «capacity as a service». I clienti accedono all'infrastruttura pilota esistente ed eseguono studi di fattibilità, serie di prove e test di scale-up senza dover investire essi stessi in hardware. Spesso sono disponibili diversi impianti di laboratorio e pilota per processi di miscelazione, di reazione, di separazione e di essiccazione, integrati da analitica di processo e da automazione.

Centri prove di istituti di ricerca

Oltre ai produttori industriali, anche gli istituti Fraunhofer, le università e gli istituti di ricerca vicini all'industria gestiscono centri prove propri. Questi si possono utilizzare per prove su commessa, per progetti di sviluppo comuni e per studi di scale-up. Questo è frequentemente una fase preliminare sensata o un'alternativa all'investimento proprio in infrastruttura pilota.

Importanza del centro prove per lo sviluppo delle ricette

Il centro prove costituisce l'anello di collegamento critico tra la scala di laboratorio (dal grammo al chilogrammo) e la produzione industriale (scala delle tonnellate). Esso consente la validazione delle ricette in condizioni prossime alla produzione, potendo controllare e variare sistematicamente grandezze di influenza fisiche centrali (per esempio forze di taglio, coefficienti di trasmissione del calore, comportamento del tempo di permanenza e del flusso).

In tal modo si possono:

• ridurre i rischi di lotti fuori specifica nel grande impianto
• quantificare l'efficienza delle materie prime e le rese
• valutare precocemente i valori caratteristici energetici e i costi di esercizio
• determinare con sicurezza i limiti tecnologici e le finestre di esercizio

I dati ottenuti nel centro prove sono la base per concetti di scale-up affidabili e per le decisioni di investimento.

Requisiti di ingegneria di processo per gli impianti pilota moderni

Gli impianti pilota moderni per lo sviluppo delle ricette e per l'ottimizzazione dei processi si distinguono per elevata flessibilità, modularità e densità di dati. Caratteristiche tipiche sono:

• Modularità e capacità di variante: Moduli di processo intercambiabili (per esempio diversi organi agitatori, ugelli, stadi di separazione o mezzi filtranti) consentono il rapido adattamento a diverse viscosità, dimensioni delle particelle, cinetiche di reazione o tipi di prodotto. Zone di processo a struttura modulare permettono il passaggio tra operazioni di processo (per esempio granulare, essiccare, rivestire o far reagire) all'interno di un unico impianto.
• Integrazione di tecnica di misura in-line e at-line: Misura spettroscopica in-line, analisi granulometrica, conduttività nonché sensoristica di pH, di temperatura e di pressione consentono il monitoraggio in tempo reale della qualità del prodotto e del processo mediante Process Analytical Technology (PAT). L'elevata densità di strumentazione supporta la pianificazione statistica delle prove e lo sviluppo di modelli di processo robusti.
• Hygienic design e conformità normativa: Nelle applicazioni life science e alimentari gli impianti soddisfano i requisiti GMP, FDA, di hygienic design e ATEX. In tal modo si escludono le contaminazioni crociate nei cambi di ricetta e si garantiscono la sicurezza e la qualità del prodotto.

Interfacce aperte e integrazione dei dati

I sistemi moderni offrono interfacce aperte per l'integrazione in sistemi di supervisione, sistemi di produzione o sistemi di laboratorio e facilitano il rilevamento, la valutazione e l'archiviazione dei dati di prova.

Trasferimento dalla fase pilota alla produzione (scale-up)

Lo scale-up si basa sull'applicazione della teoria della similitudine. Gli ingegneri chimici e di processo utilizzano numeri caratteristici adimensionali significativi (per esempio numero di Reynolds, numero di Newton, numero di Archimede) nonché ulteriori valori caratteristici, per trasferire a volumi maggiori i parametri di processo ottimali rilevati nel centro prove.

Obiettivi dello scale-up sono:

• conservazione della similitudine geometrica, cinematica e termica tra impianto pilota e impianto di produzione
• garanzia di una qualità del prodotto costante nonostante la portata crescente
• minimizzazione dell'onere di adattamento, dei tempi di avviamento e degli scarti nel grande impianto

Utilizzo dei dati del centro prove

I dati ottenuti nell'esercizio del centro prove confluiscono nei calcoli di dimensionamento, nella scelta degli apparecchi, nelle considerazioni di sicurezza e nelle valutazioni economiche.

Ruolo dell'automazione negli impianti da centro prove

L'automazione degli impianti pilota moderni va molto oltre le semplici funzioni di comando ed è un abilitatore centrale per l'ottimizzazione sistematica dei processi.

Rilevamento dei dati e Design of Experiments (DoE): I controllori a logica programmabile (PLC) e i sistemi sovraordinati con collegamenti a banche dati integrati rilevano in continuo dati di processo e di qualità. Questo costituisce la base per gli approcci DoE, in cui le combinazioni di parametri vengono variate sistematicamente e valutate statisticamente.

I dati raccolti consentono analisi di correlazione tra parametri di processo e caratteristiche di qualità. Su questa base nascono modelli di processo e, in misura crescente, gemelli digitali. Con essi gli adattamenti futuri del processo si possono prima simulare e ottimizzare virtualmente e poi implementare nel centro prove ovvero nella produzione.

Concetti di automazione scalabili

Grazie all'utilizzo di interfacce, piattaforme di comando e blocchi funzionali standardizzati, i concetti di automazione si lasciano trasferire relativamente facilmente dal centro prove agli impianti di produzione. Questo abbrevia lo scale-up e aumenta la riutilizzabilità del know-how.

Criteri di selezione nella scelta del produttore

Nella scelta di un produttore di impianti pilota e di attrezzature da centro prove i decisori tecnici dovrebbero verificare in particolare i criteri seguenti:

• capacità di scale-up e similitudine tra centro prove e impianto industriale
• competenza settoriale e di processo del fornitore (per esempio chimica, farmaceutica, alimentare, polimeri, batterie)
• conformità GMP e ATEX nonché hygienic design a seconda dell'applicazione di destinazione
• densità di strumentazione, dotazione PAT e connettività dei dati
• modularità ed espandibilità dell'impianto per coprire ricette e processi diversi
• disponibilità di centri di sperimentazione e di centri prove per studi di fattibilità prima delle decisioni di investimento

Grazie alla combinazione di una categoria di fornitori idonea, di un impianto pilota dimensionato in modo adeguato e di uno sviluppo di processo basato sui dati si crea la base per una produzione robusta, scalabile ed economica.