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Lo scenario seguente suona come una narrativa distopica immaginaria, ma è una realtà vissuta. Una catastrofe, proprio come l'attuale crisi del COVID-19, sta avendo un impatto drammatico sulla società. La normalità, come si sapeva prima, è improvvisamente cambiata: le strade vengono svuotate, i negozi chiusi e la produzione ridotta o completamente ferma. Ma cosa succede ai sistemi legati alla sicurezza, ad esempio nell'industria farmaceutica o alimentare, che non devono rimanere fermi e sono progettati in modo tale da non potersi guastare? Come ridurre al minimo il rischio di guasti e tempi di fermo macchina? Oppure, in caso di guasto, come limitare i danni alle persone e all'ambiente o, in generale, mantenere la sequenza operativa?
Digitalizzazione: maledizione o benedizione?
Quando si considerano gli impianti di ingegneria di processo, ci si confronta ripetutamente con parole d'ordine come «Industria 4.0», «digitalizzazione», «trasformazione digitale», «IoT», «produzione intelligente", ecc. L'argomento è spesso discusso in modo controverso e spesso si tratta di una dicotomia o-o: o l'uomo o la macchina e le paure associate. Indipendentemente dal nome che dai alla digitalizzazione, ogni termine qui ha una cosa in comune: collegare in rete in modo intelligente luoghi e processi separati nella produzione industriale utilizzando moderne tecnologie dell'informazione e della comunicazione. L'automazione del processo è un piccolo ma importante elemento costitutivo che necessita di attenzione. I dati possono essere registrati, inoltrati e riprodotti in modo coerente solo con una tecnologia di misurazione robusta e affidabile.
Già da tempo nell'industria di processo (PAT) vengono discussi temi quali sensoristica, automazione e controllo di processo con l'obiettivo di ridurre i tempi di fermo e ottimizzare l'uso delle risorse. Tuttavia, non si tratta solo della pura raccolta di dati, ma anche della loro significativa interpretazione e integrazione nel sistema QM. Solo una conseguente valutazione e valutazione può portare ad un aumento significativo dell'efficienza e dell'ottimizzazione.
Questa rappresenta una reale opportunità per mantenere i processi produttivi con manodopera ridotta in tempi di crisi. Le analisi pertinenti vengono automaticamente e completamente trasferite al processo. Ciò consente un'elevata disponibilità e un intervento rapido, nonché la garanzia di requisiti di alta qualità sia per la sicurezza del processo che per l'ottimizzazione del processo. Inoltre, il monitoraggio online di tutti i componenti del sistema e le attività di manutenzione preventiva contrastano efficacemente un guasto.
Scopri di più sulle basi della tecnologia analitica di processo
Impianti di produzione collegati in rete digitale
Anche se la digitalizzazione è relativamente ben consolidata nel settore privato con lo slogan «smart home», in molte aree di produzione l'argomento è ancora agli albori. Per collegare in rete in modo intelligente diversi processi, sono richieste elevate esigenze. I sistemi di analisi dei processi danno un contributo importante all'analisi dei parametri critici. L'inoltro dei dati alla sala di controllo è fondamentale per il controllo e l'ottimizzazione del processo. Per essere conformi allo stato dell'arte, i sistemi di analisi di processo devono soddisfare i seguenti requisiti:
Comunicazione trasparente/manutenzione operativa
I processi devono essere costantemente monitorati e la sicurezza degli impianti deve essere garantita. I tempi di fermo sono associati a spese e costi elevati e pertanto non possono essere tollerati. Per ridurre efficacemente il rischio di guasti, i dati diagnostici del dispositivo devono essere trasmessi continuamente nell'ambito dell'autoverifica, oppure i guasti devono essere prevenuti con l'ausilio di attività di manutenzione preventiva. Idealmente, la risposta deve essere rapida e i guasti devono essere risolti senza dover spegnere il sistema (anche da remoto).
Automazione a prova di futuro
Se si considera da quanti anni (o addirittura decenni) sono in funzione gli impianti di processo, è chiaro che estensioni e ottimizzazioni devono essere possibili nel corso della loro vita. Questo include sia l'implementazione di analizzatori all'avanguardia che la comunicazione tra i sistemi.
Sistemi ridondanti
Per evitare che i guasti mettano in pericolo l'intero funzionamento del sistema, vengono generalmente utilizzati concetti di ridondanza.
Esempio pratico: concetti intelligenti per i processi di fermentazione
Fermentatori o bioreattori sono utilizzati in un'ampia varietà di industrie per coltivare microrganismi o cellule. Batteri, lieviti, cellule di mammiferi o loro componenti fungono da importanti principi attivi nei prodotti farmaceutici o come sostanze chimiche di base nell'industria chimica. Inoltre, ci sono anche processi di degradazione nel trattamento delle acque reflue assistiti dall'utilizzo di bioreattori. Anche la produzione di bollitori per la produzione di birra può essere considerata una sorta di bioreattore. Per soddisfare gli elevati requisiti di una corrispondente resa del prodotto e il mantenimento delle condizioni ideali per un corretto metabolismo, i parametri critici devono essere controllati da vicino e spesso.
Le condizioni devono essere adattate in modo ottimale a quelle dell'habitat naturale dell'organismo. Oltre al valore di ph e alla temperatura, questo include anche la composizione del matrice, la torbidità, o il contenuto di O2 e CO2. La creazione di condizioni ambientali ottimali è fondamentale per una coltivazione di successo degli organismi. Le più piccole deviazioni hanno conseguenze devastanti per la loro sopravvivenza e possono causare notevoli danni economici.
Con l'avvento delle tecnologie intelligenti, i sistemi di analisi online e i sensori esenti da manutenzione sono diventati indispensabili per garantire la sopravvivenza dei microrganismi. In questo modo, i valori misurati vengono forniti in modo affidabile 24 ore su 24 e si garantisce che questi vengano trasferiti direttamente a tutti i comuni sistemi di controllo di processo o integrati nei sistemi QM esistenti.
Invece della misurazione offline manuale in un laboratorio separato, l'analisi viene spostata in una cella di misurazione esterna. Il flusso del campione viene alimentato al sistema di analisi mediante aspirazione con pompe peristaltiche o linee di bypass. L'analisi online consente non solo la possibilità di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e quindi uno stretto controllo dei parametri critici, ma anche la combinazione di diversi metodi di analisi e la determinazione di ulteriori parametri. Ciò significa che è possibile monitorare più parametri e più punti di misura con un unico sistema.
Il cuore dei sistemi di analisi è la tecnologia dei sensori intelligenti, la cui robustezza è fondamentale per la generazione affidabile dei valori misurati.
La misurazione del pH come parametro chiave vitale nei bioreattori
La conoscenza dell'esatto valore del pH è fondamentale per la resa del prodotto, soprattutto nei processi di fermentazione. L'attività dell'organismo e il suo metabolismo dipendono direttamente dal valore del pH. Le condizioni ideali per una crescita cellulare ottimale e un corretto metabolismo sono all'interno di un intervallo di tolleranza del pH limitato, che deve essere continuamente monitorato e regolato con l'aiuto di sensori altamente accurati.
Tuttavia, la misurazione esatta del valore del pH è soggetta a una serie di fattori di influenza chimici, fisici e meccanici, il che significa che la determinazione con i sensori in linea convenzionali è spesso troppo imprecisa e può portare a costosi guasti per gli utenti. Ad esempio, il rispetto delle misure igieniche è di fondamentale importanza nell'industria farmaceutica e alimentare. Le tubazioni nella produzione vengono pulite con soluzioni a temperature elevate. Pertanto, sono necessari robusti sensori di pH in linea per evitare effetti dannosi (ad es. Precisione, sensibilità e durata ridotte).
Elettrodi pH intelligenti ed esenti da manutenzione
Gli elettrodi di vetro sono più comunemente usati per la misurazione del pH perché sono ancora di gran lunga la soluzione più resistente, versatile e affidabile. Tuttavia, in molti casi i cambiamenti dovuti ai processi di invecchiamento o alla contaminazione del diaframma rimangono inosservati. Anche la rottura del vetro rappresenta un rischio elevato, perché può comportare lo scarto dell'intero lotto di produzione. Per l'industria farmaceutica, i sensori ProTrode 200 e ProTrode 300 di Metrohm Process Analytics sono la soluzione perfetta per evitare questi problemi. Sono dotati di uno scavenger d'argento per evitare contaminazioni di ioni Ag dal campione di processo.
Sensori ProTrode 200 (a sinistra) e ProTrode 300 (a destra) per ambienti di processo farmaceutici e biotecnologici.
Inoltre, questi sensori di qualità svizzera offrono vetro di qualità di tipo HT che consente letture stabili e misurazioni accurate su un ampio intervallo di pH con la capacità di resistere agli ambienti più difficili. In molte soluzioni di processo, la misurazione con i sensori di processo avviene direttamente nel mezzo e talvolta la calibrazione e la manutenzione possono rappresentare una sfida. I nostri sensori di pH ProTrode sono stati progettati dall'interno verso l'esterno per poter eseguire la calibrazione e la manutenzione in un'area sicura (ad es. laboratorio) e tutti i dati possono essere facilmente trasferiti al sensore in linea senza costosi lavori di manutenzione e tempi di fermo.
D'altra parte, gli analizzatori di processo online sono anche una buona soluzione per la misurazione del pH. Qui la misura viene trasferita dal processo a una cella di misura esterna. Ciò consente di ottenere una misura del pH di lunga durata con una precisione che non è possibile con le classiche sonde in linea.
Metrohm Process Analytics ha raccolto decenni di know-how applicativo sia per quanto riguarda sensori di alta qualità che analisi di processo. Quando la misurazione del pH viene eseguita con analizzatori di processo online, la calibrazione, la regolazione e la pulizia possono essere eseguite in modo completamente automatico. Il sistema monitora continuamente le condizioni dell'elettrodo. Tra una misurazione e l'altra, l'elettrodo è immerso in una soluzione di conservazione adatta alla membrana che evita l'essiccamento e allo stesso tempo impedisce l'ulteriore rigonfiamento dello strato di idratazione poiché non contiene ioni alcalini. L'elettrodo è sempre pronto per l'uso e non deve essere rimosso dal processo per lavori di manutenzione.
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Manutenzione e digitalizzazione
Oltre al monitoraggio automatico dei parametri di processo critici, anche la comunicazione trasparente tra il sistema e l'analizzatore gioca un ruolo decisivo in termini di misure di manutenzione. La raccolta di dati vitali dall'analizzatore per valutare lo stato del sistema è solo una componente. Il monitoraggio continuo dei componenti di sistema rilevanti consente di trarre conclusioni su eventuali lavori di manutenzione necessari. Ad esempio, durante il processo di analisi vengono effettuati regolarmente controlli di routine sullo stato degli elettrodi (controllo pendenza/punto zero, eventualmente calibrazione automatica). Sulla base dei dati, i processi di calibrazione e pulizia vengono eseguiti in modo completamente automatico, che consentono misurazioni robuste anche in punti di misura di difficile accesso o in fluidi di processo aggressivi. Ciò significa che l'operatore è fuori dalla zona pericolosa, che contribuisce a una maggiore sicurezza.
Servizio di qualità Metrohm: evita i problemi prima che si verifichino
Riassunto
Il collegamento dei processi produttivi con la tecnologia digitale ha un potenziale particolarmente ampio e contribuisce alla sicurezza economica delle imprese. Inoltre, cresce costantemente la pressione affinché le aziende facciano fronte alle richieste della digitalizzazione nella produzione. Ad esempio, nell'area dei processi di fermentazione, la sopravvivenza dei microrganismi è assicurata monitorando attentamente i parametri rilevanti. I sistemi intelligenti aumentano il grado di automazione e possono rendere più efficiente il processo lungo l'intera catena del valore.
Scopri nella prossima puntata come i concetti di sicurezza funzionale aiutano ad agire prima che uno scenario peggiore si realizzi dove si verificano errori e i sistemi si guastano. Controllalo qui!
