Jakie opcje istnieją dla modułowych rozbudów (np. dodatkowe punkty dozowania, sensoryka, zawory) w instalacjach mieszających?
Rozbudowy modułowe dotyczą dodatkowych modułów funkcyjnych w istniejącej instalacji mieszającej, na przykład punktów dozowania, sensoryki, zaworów, techniki czyszczenia lub automatyki. Są szczególnie ekonomiczne, gdy przyłącza mechaniczne, miejsce, zaopatrzenie w media, rezerwy sterowania i koncepcja bezpieczeństwa zostały przewidziane już w pierwotnym doborze. Jeżeli te warunki nie są spełnione, doposażenia pozostają często możliwe, powodują jednak dodatkowy nakład konstrukcyjny, montażowy, programistyczny, kontrolny i ewentualnie kwalifikacyjny.
Częstym obszarem rozbudowy jest dozowanie. Substancje stałe mogą być wprowadzane za pomocą dodatkowych dozowników ślimakowych, wag dozujących różnicowych, śluz celkowych lub systemów mikrodozowania. Dla cieczy, zależnie od lepkości, ilości dozowanej, temperatury, odporności chemicznej i wymagań dokładności, w grę wchodzą na przykład pompy membranowe, wężowe, zębate lub śrubowo-mimośrodowe. Lance cieczowe, dysze wtryskowe lub przewody pierścieniowe mogą umożliwiać dodawanie do przestrzeni mieszania. Decydujące są nie tylko dokładność dozowania i bilans masy, lecz także właściwe miejsce wprowadzenia, wielkość kropli, prędkość dozowania i intensywność mieszania. W przeciwnym razie mogą powstawać lokalne nadmierne zawilgocenie, aglomeraty, naklejenia lub nierównomierny rozkład produktu.
Dodatkowa sensoryka może poprawić prowadzenie procesu, zapewnienie jakości i utrzymanie ruchu. Sensowne są tylko punkty pomiarowe o jasnym celu zastosowania. Czujniki temperatury, ciśnienia, próżni, poziomu napełnienia, przepływu i wagowe dostarczają często bezpośrednio użytecznych informacji procesowych. Moment obrotowy, prąd silnika, drgania i temperatura łożyska mogą dawać wskazówki co do zachowania produktu, naklejeń lub zmian mechanicznych. Bez oceny odniesionej do produktu i instalacji nie są jednak bezpośrednim dowodem jakości mieszania czy jakości produktu.
Dalej idąca analityka inline może być istotna zależnie od procesu. Należą do niej na przykład spektroskopia bliskiej podczerwieni do badania określonych cech produktu, pomiar masowego natężenia przepływu metodą Coriolisa do bilansowania cieczy, pomiar wilgotności lub pomiar przewodności w odpowiednich mediach. Technologia analizy procesowej, zwykle nazywana PAT (Process Analytical Technology), może zmniejszyć liczbę próbek laboratoryjnych i umożliwić wcześniejsze rozpoznanie odchyleń. Zakłada ona jednak odpowiednie punkty pomiarowe, kalibrację, konserwację, wiarygodną interpretację danych i ewentualnie walidację. pH, potencjał redoks, zmętnienie lub refraktometria są sensowne przede wszystkim przy systemach ciekłych lub pastowatych; dla suchych mieszanek proszkowych zwykle się nie nadają.
Zawory i armatura są również typowymi modułami rozbudowy. Zawory odcinające i regulacyjne uruchamiane pneumatycznie lub elektrycznie mogą sterować mediami cieczowymi, gazowymi, próżniowymi lub czyszczącymi. Zawory wielodrogowe i bloki zaworowe mogą przełączać strumienie mediów między kilkoma zbiornikami, punktami dozowania lub drogami czyszczenia. W zastosowaniach higienicznie wymagających, zależnie od medium i strategii czyszczenia, w grę wchodzą zawory membranowe, grzybkowe lub dwugniazdowe. Zawory bezpieczeństwa i membrany rozrywające mogą chronić przed niedopuszczalnym nad- lub podciśnieniem. Ich dobór nie jest jednak standardowym środkiem następczym, lecz musi wynikać z obliczeń ciśnieniowych, scenariuszy doboru, medium, temperatury, norm i istniejącej instalacji.
Moduły obejściowe mogą włączać filtry, wymienniki ciepła, homogenizatory lub zewnętrzne obiegi. Są sensowne tylko wtedy, gdy proces rzeczywiście dopuszcza cyrkulację lub obróbkę zewnętrzną. Przy wielu suchych mieszalnikach proszku obieg produktu podobny do cieczowego nie istnieje technicznie lub nie jest ekonomiczny. Odpowiednio rurociągi umożliwiające tłokowanie (molchowanie) są istotne przede wszystkim dla lepkich cieczy, past i produktowych systemów rurociągowych; dla suchych proszków ważniejsze są zwykle inne środki, takie jak opróżnianie resztkowe, odpowiednia technika transportu i geometrie przyjazne dla czyszczenia.
Rozbudowy mechaniczne mogą obejmować dodatkowe narzędzia mieszające lub deagłomerujące, płaszcze temperujące, przyłącza próżniowe, filtry, organy wyładowcze lub moduły czyszczące. Narzędzie High Shear, czyli narzędzie o wysokim obciążeniu ścinającym, może rozbijać aglomeraty lub intensywniej wprowadzać ciecze. Może jednak również uszkadzać cząstki, zwiększać wprowadzanie energii lub zmieniać rozkład wielkości ziaren. Płaszcze temperujące mogą być pomocne przy procesach egzo- lub endotermicznych, potrzebują jednak odpowiednich mediów grzewczych lub chłodzących, właściwej regulacji i oceny przenoszenia ciepła. Próżnia może wspierać odgazowanie lub suszenie, stawia jednak wyższe wymagania wobec odporności na ciśnienie, szczelności, techniki filtracji i koncepcji bezpieczeństwa.
Systemy czyszczące, takie jak Cleaning in Place, w skrócie CIP, lub Sterilization in Place, w skrócie SIP, mogą być również doposażone. CIP oznacza czyszczenie w stanie zabudowanym bez szerokiego demontażu, SIP – sterylizację w stanie zabudowanym. Doposażenie obejmuje nie tylko dysze myjące, lecz także zaopatrzenie w media, technikę zaworową, spływ zwrotny, nadzór przewodności, temperatury i przepływu oraz skuteczną koncepcję opróżniania i suszenia. Rzeczywista skuteczność czyszczenia lub sterylizacji musi być wykazana dla produktu, zabrudzenia i procedury; zautomatyzowany cykl czyszczenia nie jest automatycznie zwalidowany.
Każda rozbudowa funkcyjna wymaga odpowiedniej integracji automatyki. Należą do niej wolne wejścia i wyjścia, zdolność sieciowa, rezerwy szafy sterowniczej, logika sterowania, koncepcje alarmów i blokad, wizualizacja oraz bezpieczne stany pracy. Zdecentralizowane moduły wejść i wyjść, często nazywane modułami I/O, mogą podłączać zawory, czujniki i napędy w pobliżu instalacji. Interfejsy takie jak IO-Link, PROFINET, EtherCAT lub inne znormalizowane standardy komunikacji i magistral polowych mogą wspierać komunikację. Ich wybór zależy od wymagań czasu rzeczywistego, istniejącej automatyki, cyberbezpieczeństwa, modelu danych i możliwości utrzymania.
Dla procesów mieszania zorientowanych na wsad rozbudowa powinna być również włączona w logikę receptur i wsadów. Standard ISA-88 oferuje w tym celu modele i pojęcia dla receptur, kroków procesowych, modułów instalacji i dokumentacji wsadów. Nowe punkty dozowania lub pomiarowe muszą być nie tylko podłączone elektrycznie, lecz zintegrowane ze sterowaniem jako kontrolowane fazy procesu z wartościami zadanymi, wartościami granicznymi, komunikatami błędów, zwolnieniami i protokołowaniem.
Neutralne dla producenta opisy modułów mogą ułatwiać włączenie po stronie oprogramowania odpowiednich, w znacznym stopniu autonomicznych modułów procesowych. Takie standardy opisu ustalają funkcje i interfejsy automatyki modułu w sposób strukturalny i niezależny od producenta oraz są szczególnie odpowiednie dla wyodrębnionych modułów procesowych, takich jak skidy dozujące lub temperujące. Nie zastępują jednak ani integracji mechanicznej, ani sprawdzenia kompatybilności produktowej, higienicznej, bezpieczeństwa i procesowej.
Warunkiem ekonomicznych doposażeń są aktualne schematy R&I, rysunki konstrukcyjne, listy przyłączy, schematy elektryczne, wersje oprogramowania, analizy ryzyka oraz jasna macierz interfejsów. Musi ona ustalać, gdzie leżą odpowiedzialności mechaniczne, elektryczne, medialne, sterownicze i bezpieczeństwa. W instalacjach regulowanych zmiany muszą być oceniane poprzez Change Control. Zależnie od ryzyka konieczne są aktualizacje instrukcji eksploatacji, analiz ryzyka, procedur czyszczenia, oprogramowania sterującego, dokumentacji kwalifikacyjnej i walidacji.
Modułowość i możliwość doposażenia w amixon®
Instalacja mieszająca nie jest automatycznie modułowa tylko dlatego, że może przetwarzać różne receptury lub być oferowana w wielu wielkościach urządzenia. Prawdziwa modułowość dotyczy modułów funkcyjnych zdolnych do doposażenia oraz jasno przygotowanych interfejsów. Należą do nich przyłącza mechaniczne, wystarczająca przestrzeń zabudowy, zaopatrzenie w media, rezerwy sterowania, technika bezpieczeństwa i udokumentowane punkty przekazania. Jeśli te warunki zostaną uwzględnione już w specyfikacji wymagań użytkownika, w skrócie URS, późniejsze rozbudowy można planować znacznie bardziej kontrolowanie i ekonomicznie. URS to udokumentowana specyfikacja wymagań operatora.
W amixon® aparaty mogą być dobierane specyficznie dla projektu na podstawie URS. Jeśli przewidywalne jest, że w przyszłości mają być dozowane ciecze, rejestrowane dodatkowe dane procesowe, regulowane temperatury lub rozbudowywane funkcje czyszczenia, mogą zostać przewidziane przyłącza rezerwowe, wolne króćce, pozycje zabudowy, rezerwy miejsca, dodatkowe wejścia i wyjścia oraz zdolności dla energii, sprężonego powietrza, próżni i mediów czyszczących. Bez tego przygotowania doposażenia nie są wykluczone, mogą jednak wymagać znacznych ingerencji w zbiornik, rurociągi, konstrukcję nośną, sterowanie, koncepcję bezpieczeństwa i wykonanie higieniczne.
Możliwość przetwarzania różnych wielkości wsadów lub receptur tą samą maszyną nie jest zasadniczo rozbudową modułową. W niektórych mieszalnikach amixon® mogą być przetwarzane, zależnie od produktu i doboru, zmienne stopnie napełnienia. Czy wysokie jakości mieszania rzeczywiście są osiągane w zakresie od około 10 do 100 procent stopnia napełnienia, musi jednak zostać zbadane dla danej receptury. Proszki różnią się gęstością nasypową, rozkładem wielkości cząstek, wilgotnością, kohezją, właściwościami płynięcia, ścieralnością i skłonnością do segregacji. Także kolejność dozowania, udział cieczy, konfiguracja narzędzia i czas mieszania istotnie wpływają na wynik. Zmienny stopień napełnienia nie jest więc ryczałtowym dowodem elastyczności procesowej.
Intensywność mieszania może być regulowana poprzez czas mieszania, prędkość obrotową, wykonanie narzędzia oraz ewentualnie poprzez rotor tnący lub narzędzie High Shear. High Shear oznacza wysokie obciążenie ścinające. Takie narzędzia mogą przy określonych zastosowaniach rozbijać aglomeraty lub poprawiać wprowadzanie cieczy. Mogą jednak również zmieniać rozkład wielkości cząstek, wprowadzać ciepło, uszkadzać wrażliwe cząstki, powodować ścieranie lub pogarszać sypkość. Wyższa intensywność mieszania nie jest więc ogólnie lepsza. Musi wynikać z jasnego celu odniesionego do produktu i jakości.
Jako rzeczywiście doposażalne moduły, zależnie od sytuacji wyjściowej, wchodzą w grę na przykład dozowania cieczy, lance dozujące, dysze dwuskładnikowe, dodatkowa sensoryka, płaszcze temperujące, przyłącza próżniowe, lance myjące, systemy Cleaning-in-Place lub Wet-in-Place, organy wyładowcze oraz funkcje dozowania. Cleaning in Place, w skrócie CIP, oznacza czyszczenie w stanie zabudowanym bez rozległego demontażu. Wet in Place, w skrócie WIP, oznacza czyszczenie na mokro zabudowanej instalacji, którego stopień automatyzacji może być różny zależnie od koncepcji.
Doposażenie dozowania cieczy to więcej niż zabudowa pompy i lancy. Ilość dozowana, dokładność dozowania, lepkość, temperatura, zgodność chemiczna, położenie miejsca wtrysku, wielkość kropli, obraz natrysku, prędkość dozowania i przepływ produktu decydują o tym, czy ciecz zostanie równomiernie rozprowadzona. Niekorzystny dobór może prowadzić do lokalnego nadmiernego zawilgocenia, aglomeracji, naklejeń, pogorszenia sypkości lub wydłużonych czasów czyszczenia. Dlatego funkcja powinna być sprawdzona z oryginalnym produktem, a nie dobierana wyłącznie na podstawie założeń geometrycznych.
Dodatkowe czujniki mogą tworzyć korzyść tylko wtedy, gdy wielkość pomiarowa jest jednoznacznie powiązana z decyzją lub oceną. Pomiary temperatury, ciśnienia, próżni, poziomu napełnienia i przepływu mogą nadzorować ważne parametry procesowe. Moment obrotowy, pobór prądu lub drgania mogą dawać wskazówki co do stopnia napełnienia, naklejeń, zachowania produktu lub zmian mechanicznych. Nie są jednak bezpośrednim dowodem jakości mieszania, jednorodności czy jakości produktu. Przy doposażeniu czujników muszą zostać ustalone miejsce zabudowy, zakres pomiarowy, dokładność, kalibracja, zdolność do czyszczenia, szczelność, transmisja danych, granice alarmowe i reakcja na błędy pomiarowe.
Płaszcze temperujące lub zewnętrzne systemy grzewcze i chłodzące mogą być sensowne przy procesach wrażliwych termicznie, egzotermicznych lub endotermicznych. Potrzebują jednak wystarczająco zwymiarowanych przyłączy medialnych, odpowiedniej regulacji, oceny obciążenia ciśnieniem i temperaturą oraz sprawdzenia rzeczywiście osiągalnego przenoszenia ciepła. Płaszcz temperujący może ograniczać odchylenia temperatury, nie gwarantuje jednak równomiernej temperatury produktu w każdym proszku czy każdej wielkości wsadu.
Funkcje próżniowe mogą być sensowne przy odgazowaniu, suszeniu lub określonych krokach reakcyjnych. Stawiają wyższe wymagania wobec wytrzymałości zbiornika, szczelności, techniki filtracji, organów wyładowczych, oceny bezpieczeństwa i ewentualnie ochrony przeciwwybuchowej. Późniejsze doposażenie może więc być bardziej obszerne, niż sugerowałaby to sama zabudowa króćca przyłączeniowego.
Lance myjące oraz funkcje CIP lub WIP mogą wspierać czyszczenie. Sama lanca myjąca nie potwierdza jednak ani pełnego zwilżenia, ani skutecznego czyszczenia. Dla wiarygodnego doboru muszą być ocenione obraz natrysku, rozmieszczenie dysz, przepływ, ciśnienie, chemia czyszcząca, temperatura, czas oddziaływania, sytuacja spływu oraz geometria wszystkich powierzchni mających kontakt z produktem. W obszarach regulowanych skuteczność czyszczenia musi być wykazana w odniesieniu do produktu i zabrudzenia. Automatyczne czyszczenie na mokro nie jest automatycznie czyszczeniem zwalidowanym.
Organy wyładowcze, takie jak DosiFlap®, mogą być zintegrowane z instalacją specyficznie dla projektu. Mogą wspierać kontrolowane wydawanie produktu, szczelność przestrzeni mieszania oraz ewentualnie lepsze opróżnianie. Czy rzeczywiście spełniają precyzyjną funkcję dozowania, zależy od właściwości płynięcia, gęstości nasypowej, ilości dozowanej, tolerancji, koncepcji ważenia, warunków ciśnieniowych i następczej techniki opakowań lub transportu. Dla dokładnych grawimetrycznie napełnień z reguły potrzebna jest dopasowana technika ważenia. Wybór organu wyładowczego musi ponadto uwzględniać zdolność do czyszczenia, containment, pracę pod ciśnieniem i próżnią oraz interfejs do instalacji następczej.
Wymiana na większą lub mniejszą wielkość mieszalnika nie jest rozbudową modułową, lecz dostosowaniem wydajności. Nawet gdy zasada mieszania pozostaje taka sama, receptur i parametrów nie da się przenieść ryczałtowo. Stosunki przepływu, stopień napełnienia, prędkość obwodowa, wprowadzanie energii, przenoszenie ciepła, czas mieszania, opróżnianie i obciążenie produktu mogą się zmieniać. amixon® oferuje według własnych danych dla określonych serii wielkości urządzeń w krokach od 100 litrów do 50 metrów sześciennych oraz mieszalnik Gyraton® do 100 metrów sześciennych. Ten wybór umożliwia dobór odpowiedniej instalacji, nie zastępuje jednak prób skalowania dla konkretnego produktu.
W mieszalniku kontenerowym typu COM dodatkowe Mixtainer® mogą uelastycznić cały system, ponieważ odważanie, mieszanie, czyszczenie, magazynowanie pośrednie, transport i napełnianie są oddzielane od siebie. Nie jest to rozbudowa modułowa samego mieszalnika, może jednak poprawić zdolność produkcyjną całego systemu. Korzyść zależy od liczby kontenerów, logistyki, czyszczenia, czasów mieszania, zwolnień i wydajności następczych kroków procesu. Bez rozważenia zdolności produkcyjnej inwestycja w kolejne zbiorniki może jedynie przesunąć wąskie gardło w inne miejsce.
amixon® może wspierać techniczne doposażenia, modernizacje i próby w centrum prób. W Paderborn, według amixon®, dostępnych jest ponad 30 maszyn testowych; dalsze centra testowe działają w USA i kilku krajach azjatyckich. Z oryginalnym produktem można ocenić między innymi rozprowadzanie cieczy, jakość mieszania, deagłomerację, przebieg temperatury, wprowadzanie energii, opróżnianie, naklejenia i zdolność do czyszczenia. Takie próby są szczególnie cenne dla doposażenia, ponieważ weryfikują założenia dotyczące zachowania produktu. Stanowią jednak tylko podstawę doboru i nie zastępują odbioru, oceny bezpieczeństwa oraz ewentualnej rekwalifikacji przebudowanej instalacji w rzeczywistej lokalizacji produkcyjnej.
Programy mieszania mogą być zarządzane w programowalnym sterowniku logicznym, w skrócie sterowniku PLC, i wykonywane dla poszczególnych wsadów. Sterownik PLC to komputer przemysłowy do sterowania maszynami i procesami. Podłączenie specyficzne dla projektu do systemu planowania zasobów przedsiębiorstwa, w skrócie systemu ERP, lub systemu zarządzania produkcją, w skrócie MES, może łączyć recepturę, wsad i parametry procesowe. System ERP wspiera zarządzanie zleceniami, materiałami i zasobami przedsiębiorstwa. MES wspiera operatywną produkcję, rejestrację danych i dokumentację wsadów. Skanery kodów kreskowych mogą wspierać identyfikację materiału. Aby takie rozwiązanie działało niezawodnie, muszą zostać ustalone model danych, znaczniki czasowe, wersja receptury, uprawnienia użytkowników, integralność danych, ścieżki audytu oraz zachowanie przy awariach komunikacji.
Dla zastosowań regulowanych amixon® może udostępniać dokumentację do kwalifikacji oraz wspierać przy Design Qualification, w skrócie DQ, Installation Qualification, w skrócie IQ, i Operational Qualification, w skrócie OQ. DQ dokumentuje, że projekt instalacji spełnia ustalone wymagania. IQ potwierdza prawidłową instalację. OQ wykazuje, że instalacja funkcjonuje w zdefiniowanym zakresie eksploatacji. Wykonanie techniczne może być dostosowane do wymagań specyficznych dla projektu, takich jak Good Manufacturing Practice, w skrócie GMP, ATEX, EHEDG, wymagania FDA, standardy 3-A Sanitary lub ASME. Odpowiedzialność regulacyjna, ocena zmian, walidacja czyszczenia i procesu oraz walidacja systemów elektronicznych pozostają po stronie operatora.
Podsumowanie
Instalacje amixon® mogą być przygotowane pod przyszłe moduły funkcyjne, takie jak dozowanie cieczy, sensoryka, temperowanie, próżnia, technika czyszczenia i wyładunku. Korzyść i nakład związany z doposażeniem zależą jednak decydująco od tego, czy przyłącza, przestrzeń zabudowy, media, sterowanie, bezpieczeństwo i zdolność do czyszczenia zostały uwzględnione już w pierwotnym doborze. Zmienne stopnie napełnienia, nowe receptury lub inna wielkość urządzenia nie są rozbudowami modułowymi i muszą zostać ocenione procesowo dla rzeczywistego produktu oraz konkretnej instalacji docelowej.