Varios esquemas de control de temperatura para equipos enlatadores y sus aplicaciones

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Este mensaje fue editado por última vez por yunrun el 31-7-2019 a las 19:19. En resumen, el control de temperatura en los equipos de tipo tanque consiste en regular la temperatura del material para que se mantenga dentro de los rangos deseados. Este artículo compara las ventajas y desventajas de varios métodos de control de temperatura en estos equipos, con el fin de ofrecer una guía útil para su manejo. Existen varios métodos para regular la temperatura de los materiales en los equipos de tipo tanque: ① Se puede hacer que el medio de calentamiento o enfriamiento entre en contacto directo con los materiales ； ②Transferencia de calor a través del revestimiento del tanque ； ③Se utiliza un intercambiador de calor. Durante el proceso de regulación de la temperatura, el controlador de temperatura, basándose en las señales de temperatura enviadas por los sensores, controla el tiempo y la intensidad con los que se suministra el medio de calefacción o refrigeración, a fin de mantener la temperatura del material dentro del tanque y satisfacer así los requisitos del proceso. Por lo general, la elección del sistema de control de temperatura depende de la estructura del equipo en forma de tanque, de las condiciones de proceso y de la inversión necesaria. Changhui Instruments presenta varios planes de control de temperatura para equipos de tanques comunes, como referencia para todos. 1. Sistema de control de temperatura que introduce un medio de calentamiento o enfriamiento en el revestimiento del tanque. El principio de funcionamiento de este sistema es el intercambio de calor por medio de una pared sólida; los fluidos fríos y calientes están separados por dicha pared sólida, y el calor se transfiere a través de ella. En este diseño, el vapor y el refrigerante fluyen directamente hacia la camisa de enfriamiento. Dado que su temperatura difiere de la del material contenido en el tanque, se produce una transferencia de calor a través de las paredes del tanque, lo que hace que la temperatura del material aumente o disminuya. El sistema utiliza la duración y la intensidad del vapor o refrigerante suministrado para controlar la temperatura de los materiales almacenados en tanques. Los sistemas de control de temperatura que utilizan un medio de calentamiento o enfriamiento en el revestimiento del tanque se emplean comúnmente en tanques para la preparación de soluciones y tanques de almacenamiento de materiales, así como para el control de temperatura en algunos tanques de reacción. ①Sistema de control de temperatura sin recirculación de refrigerante. El sistema de control de temperatura sin recirculación de refrigerante se muestra en la Figura 1. Cuando no es necesario controlar la temperatura del material, no se introduce vapor ni refrigerante dentro del revestimiento interno. Cuando es necesario elevar la temperatura de los materiales que se encuentran dentro del tanque o mantenerla a un nivel alto, el vapor entra por la interfaz superior del revestimiento interno. Al entrar en contacto con las paredes del tanque, que tienen una temperatura más baja, el vapor libera calor y se condensa en líquido. Bajo la acción de la gravedad, este líquido se acumula a lo largo de las paredes del tanque. Al mismo tiempo, el calor se transfiere desde las paredes del tanque hacia los materiales que se encuentran en su interior, lo que permite elevar su temperatura o mantenerla a un nivel alto. Al finalizar el control de la temperatura, se detiene el suministro de vapor. Se introduce aire comprimido desde la parte superior del revestimiento interno para expulsar el vapor y el agua de condensación que quedan en él. Una vez que todo está limpio, se desconecta el aire comprimido. Cuando es necesario enfriar el material que se encuentra dentro del tanque o mantenerlo a baja temperatura, el refrigerante se introduce por la interfaz inferior de la camisa del tanque. Al entrar en contacto con las paredes del tanque, que tienen una temperatura más alta, el refrigerante absorbe calor a través de la transferencia de calor. Con la continua entrada y salida de refrigerante, el material se va enfriando. Al finalizar el proceso de enfriamiento, se detiene el suministro de refrigerante. Se introduce aire comprimido desde la parte superior del revestimiento interno, con el fin de expulsar el refrigerante restante hacia las tuberías de drenaje. Una vez que todo está limpio, se detiene el suministro de aire comprimido. Es necesario instalar válvulas de seguridad en las tuberías del revestimiento, para evitar que la presión en él sea excesiva y provoque accidentes. Es necesario instalar un sensor de temperatura en el tanque para monitorear la temperatura en tiempo real del material. En el punto de descarga del agua de condensación del revestimiento interno, es necesario instalar una válvula de drenaje para garantizar una evacuación adecuada del agua de condensación. Por consideraciones de precisión en el control de la temperatura, es necesario utilizar un termostato para regular el tiempo y la intensidad con la que entra el vapor o el refrigerante en el revestimiento interno, y realizar ajustes en función de la temperatura real de la materia. Los sistemas de control de temperatura sin recirculación del refrigerante se utilizan ampliamente en la industria farmacéutica para el control de temperatura de los tanques de preparación de soluciones cuyo medio de enfriamiento es el agua, así como de los tanques de almacenamiento de materiales, y también para el control de temperatura en algunos tanques de reacción. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png Figura 1: Sistema de control de temperatura sin recirculación del refrigerante. ② Sistema de control de temperatura con recirculación del refrigerante. Cuando, con el fin de reducir los costos operativos o disminuir la cantidad de contaminantes, es necesario reutilizar el refrigerante en la mayor medida posible, el refrigerante que queda en el revestimiento interno después del intercambio térmico no se descarta directamente, sino que se recupera por medio de tuberías de recirculación. El sistema de control de temperatura para la recirculación del refrigerante se muestra en la Figura 2; en este diseño, se han añadido tuberías para la recirculación del refrigerante en las posiciones adecuadas. El control del proceso de calentamiento y mantenimiento de la temperatura de los materiales es similar al sistema de control de temperatura en el que no hay retorno del refrigerante. Cuando finaliza el control de la temperatura, se detiene el suministro de refrigerante. Se introduce aire comprimido desde la parte superior del revestimiento interno para purgarlo, y así el refrigerante restante en dicho revestimiento es expulsado hacia las tuberías de retorno para su reciclaje. En la producción farmacéutica, cuando como medio de refrigeración en los equipos de tanques no se utiliza agua, sino soluciones como el etilenglicol, se puede aplicar este diseño. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png Figura 2: Sistema de control de temperatura para la recirculación del refrigerante. 2. Sistema de control de temperatura en el que el medio de calentamiento o enfriamiento fluye directamente dentro del tanque. El principio de este sistema es el intercambio térmico por mezcla; su característica principal es que los fluidos fríos y calientes se mezclan directamente dentro del tanque para intercambiar calor. En este diseño, el vapor y el refrigerante se introducen en el tanque, donde se mezclan directamente con la materia prima para transferir calor, lo que permite elevar o disminuir su temperatura o mantenerla constante. En comparación con el método de control de temperatura por camisa, este diseño permite un aumento significativo tanto en el coeficiente de transferencia de calor como en la superficie de intercambio térmico. Esto le confiere ventajas como una alta tasa de transferencia de calor y un diseño más sencillo del equipo. El sistema controla la duración e intensidad del vapor o refrigerante que se introduce, con el fin de regular la temperatura de los materiales dentro del tanque. Sin embargo, como el medio de calentamiento o enfriamiento de este sistema entra en contacto directo con la materia prima, es necesario realizar una evaluación de riesgos para asegurarse de que no tenga efectos negativos en ella. El sistema de control de temperatura, que permite introducir directamente en el tanque un medio de calentamiento o enfriamiento, se muestra en la Figura 3. Cuando no es necesario controlar la temperatura del material, no se introduce vapor ni refrigerante en el tanque. Cuando es necesario elevar la temperatura de los materiales dentro del tanque o mantenerla a un nivel alto, el vapor entra desde la interfaz de vapor. Al entrar en contacto con los materiales de menor temperatura, el vapor libera calor y se condensa en líquido, lo que permite elevar o mantener la temperatura de los materiales. Al mismo tiempo, el agua condensada permanece dentro del tanque y se mezcla con los materiales. Al final del calentamiento, se detiene el suministro de vapor. Cuando es necesario enfriar el material que se encuentra dentro del tanque o mantenerlo a una temperatura baja, el refrigerante se introduce desde la superficie donde se encuentra. Al entrar en contacto con el material de mayor temperatura, el refrigerante absorbe calor, lo que permite enfriar el material o mantenerlo a esa temperatura baja. Al mismo tiempo, el refrigerante permanece dentro del tanque y se mezcla con el material. Al finalizar la refrigeración, se detiene el suministro de refrigerante. Dado que tanto el agua de condensación del vapor como el refrigerante permanecen dentro del tanque después de ser añadidos, al utilizar este método para controlar la temperatura, es necesario tener en cuenta la cantidad de vapor y refrigerante que se debe agregar para lograr el efecto deseado de control térmico. Este sistema puede utilizarse para el control de la temperatura de materiales para los cuales no se requiere una alta precisión en el control y que no son sensibles a la temperatura, así como para el control de la temperatura en los tanques de tratamiento destinados a la inactivación de ciertos residuos. Por ejemplo, en los tanques de inactivación de los residuos contaminados con bacterias que se encuentran en las instalaciones donde se produce el medicamento a base de proteínas recombinantes, se puede utilizar este sistema de control de temperatura. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png Figura 3: Sistema de control de temperatura en el que el medio de calentamiento o enfriamiento se introduce directamente dentro del tanque. 3. Sistema de control de temperatura mediante un circuito de control, donde la temperatura se regula de forma indirecta a través del revestimiento del tanque. El principio de funcionamiento de este sistema es el intercambio de calor por convección. Para su funcionamiento, es necesario contar con un circuito de control, compuesto por revestimientos, tuberías, bombas, intercambiadores de calor, reguladores de temperatura y sensores de temperatura. El circuito de control de temperatura está repleto de un medio calorífico que, impulsado por la bomba, circula continuamente. Al pasar por el revestimiento exterior del tanque, se produce un intercambio térmico con la materia que se encuentra en su interior, lo que permite aumentar o mantener el nivel de temperatura de dicha materia. El medio portador de calor puede ser agua, o también aceite térmico, entre otros. El sistema regula la temperatura del medio térmico a través de intercambiadores de calor, y controla la temperatura de los materiales dentro del tanque mediante el intercambio de calor por paredes intermedias en el revestimiento del mismo. El sistema necesita contar con válvulas para el reemplazo y reabastecimiento del fluido calentador, así como con tanques de expansión para mantener estable la presión de dicho fluido en el circuito. El sistema de control de temperatura que utiliza un circuito de control de temperatura para regular indirectamente la temperatura del revestimiento interno se muestra en la Figura 4. Cuando no es necesario controlar la temperatura del material, el circuito de control de temperatura puede no funcionar, o bien funcionar sin realizar ningún control de temperatura. Cuando es necesario elevar la temperatura de los materiales que se encuentran dentro del tanque o mantenerla a un nivel alto, el medio transportador de calor en el circuito de control se calienta. A continuación, este medio transporta el calor a través de la camisa del tanque, y así el calor llega a los materiales que se encuentran en su interior, permitiendo así elevar su temperatura o mantenerla estable. Cuando es necesario enfriar el material que se encuentra dentro del tanque o mantenerlo a baja temperatura, el medio transportador de calor en el circuito de control de temperatura se enfría. A continuación, este fluido a baja temperatura fluye a través del revestimiento del tanque, llevándose así el calor del material que se encuentra en su interior, lo que permite enfriar el material o mantenerlo a esa temperatura baja. Al finalizar el control de la temperatura, se detiene el funcionamiento de la bomba en el circuito de control térmico o el control de la temperatura del portador de calor, lo que a su vez detiene el control de temperatura de la materia. Si es necesario, también se pueden instalar puntos de conexión para aire comprimido en el circuito, a fin de purgar todo el circuito o la parte del revestimiento interno. La temperatura del material dentro del tanque se controla mediante un medio calorífico ubicado en el revestimiento interno del mismo. Este medio calorífico, a su vez, es controlado por un intercambiador de calor dentro del circuito de control de temperatura. El proceso requiere dos etapas de intercambio térmico a través de las paredes del tanque; por lo tanto, la eficiencia del intercambio térmico no es alta. No obstante, este sistema permite lograr una precisión elevada en el control de la temperatura. Dado que el circuito de control de temperatura no está en contacto directo con la materia prima, no es necesario que los componentes cumplan con requisitos de diseño higiénico, lo que reduce el costo de construcción. Un sistema de control de temperatura que utiliza un circuito de control de temperatura para lograr un control indirecto a través del revestimiento interno, se emplea generalmente en procesos de producción farmacéutica donde se requiere una alta precisión en la temperatura y un control prolongado de la misma. Además, es adecuado cuando los materiales no deben ser agitados intensamente. Ejemplos de este tipo de sistemas son los tanques de esterilización por Pasteur o S/D utilizados en la producción de productos sanguíneos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png Figura 4: Sistema de control de temperatura mediante un circuito de control térmico para la regulación indirecta de la temperatura en el revestimiento del tanque. 4. Sistema de control de temperatura que permite una regulación directa de la temperatura dentro del tanque, a través de un circuito de control térmico. El principio de funcionamiento de este sistema es el intercambio de calor por medio de paredes separadoras. Este sistema está compuesto por un circuito de control térmico y equipos como tanques, además de tuberías, bombas, intercambiadores de calor e instrumentos de medición. Los materiales se almacenan en tanques, y a través de bombas circulan continuamente en un circuito de control de temperatura. Al pasar por el intercambiador de calor, se calientan o enfrían, para luego volver a los tanques y mezclarse con otros materiales. Los instrumentos de medición de la temperatura dentro de los tanques permiten regular el tiempo y la intensidad con la que entra el vapor o el refrigerante en el intercambiador de calor, lo que permite controlar la temperatura de los materiales. El sistema de control de temperatura que permite regular directamente la temperatura dentro del tanque a través de un circuito de control térmico se muestra en la Figura 5. Cuando no es necesario controlar la temperatura del material, el circuito de control térmico puede no funcionar, o bien funcionar sin realizar ningún control de temperatura. Cuando es necesario controlar la temperatura de los materiales dentro del tanque, se activa la bomba que forma parte del circuito, lo que permite que los materiales circulen dentro del equipo del tanque y del circuito de control de temperatura. Mientras circulan por el intercambiador de calor, los materiales se calientan o enfrían. Luego, vuelven al tanque para mezclarse con otros materiales y, una vez más, entran al circuito. De esta manera, se logra regular o mantener la temperatura de los materiales en un nivel adecuado. En este diseño, la temperatura de los materiales dentro del tanque se controla mediante el calentamiento o enfriamiento directo a través de un intercambiador de calor. En este proceso solo es necesario un intercambio de calor a través de una pared intermedia, por lo que la eficiencia del intercambio de calor es alta. Además, este sistema también permite lograr una precisión elevada en el control de la temperatura. En este diseño, los materiales deben circular dentro de un circuito de control de temperatura. Por lo tanto, todas las partes del sistema que entran en contacto con dichos materiales deben cumplir con los requisitos establecidos por las normas GMP. No se permite que esto tenga ningún efecto negativo en la calidad del medicamento. Como consecuencia, esto aumenta los costos de construcción y mantenimiento. Un sistema de control de temperatura que permite un control directo dentro del tanque a través de un circuito de regulación de temperatura, es adecuado para sistemas en los que se necesita almacenar los materiales de forma centralizada y suministrarlos simultáneamente a varios puntos de uso. Estos sistemas requieren una temperatura precisa y son resistentes a las agitaciones intensas; ejemplos de ello son los sistemas de distribución de agua para la industria farmacéutica y los sistemas de etanol a bajas temperaturas utilizados en la producción de productos sanguíneos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png Figura 5: Sistema de control de temperatura que permite regular directamente la temperatura dentro del tanque, a través de un circuito de control de temperatura. Análisis de aplicaciones: Los diferentes procesos de producción requieren niveles diferentes de control de temperatura para los materiales. Por lo tanto, los diseñadores deben elegir el diseño adecuado según las condiciones específicas de cada caso. Los diseños mencionados anteriormente son los diseños básicos. En la práctica, además de poder utilizar un diseño en solitario, también es posible simplificar un diseño determinado, o combinar varios diseños de diferentes maneras. A continuación, se presentan algunos ejemplos de aplicaciones típicas: ① Tanques de almacenamiento de soluciones. En el caso de los tanques convencionales para almacenar soluciones, generalmente solo se necesita una función de enfriamiento; además, la temperatura no debe superar un valor determinado. En estas condiciones, se puede simplificar el sistema de control de temperatura, limitándose únicamente a la función de enfriamiento. Para más detalles, véase la Figura 6. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png Figura 6: Diseño de control de temperatura para los tanques de almacenamiento de soluciones que solo necesitan función de enfriamiento. ② Tanque de inactivación de residuos biológicos: El tanque de inactivación de residuos biológicos puede diseñarse combinando las características de los sistemas de control de temperatura que permiten la introducción directa de medios de calentamiento o enfriamiento dentro del tanque, con los sistemas de control de temperatura que utilizan medios de calentamiento o enfriamiento en el revestimiento exterior del tanque. De esta manera, se logra un calentamiento más eficiente mediante la introducción de vapor dentro del tanque, mientras que el refrigerante se utiliza para enfriar el tanque a través de su revestimiento exterior. Esto aumenta tanto la velocidad de inactivación de los residuos como la cantidad de residuos que pueden ser procesados por cada lote. Para más detalles, véase la Figura 7. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png Figura 7: Temperatura en los tanques de inactivación de residuos biológicos con calentamiento directo y enfriamiento indirecto. ③ Equipos de tanques con procesos más complejos: En el caso de algunos equipos de tanques con procesos más complejos, como los tanques de fermentación, siempre y cuando el medio de cultivo no sea sensible a la temperatura, se puede utilizar un sistema de control de temperatura que combine el uso de medios de calentamiento o enfriamiento directamente en el revestimiento del tanque, junto con un sistema de control de temperatura indirecto a través de circuitos de control. Esto se muestra en la Figura 8. Se añaden puntos de conexión para vapor y refrigerante en el circuito de control de temperatura. En el proceso de esterilización del medio de cultivo, se utiliza un sistema de control de temperatura que permite introducir directamente medios de calentamiento o enfriamiento en el revestimiento interno, lo cual aumenta la eficiencia del intercambio térmico y acorta el tiempo necesario para completar el proceso. Durante el cultivo en fermentación, se utiliza un sistema de control de temperatura que permite regularla de forma indirecta a través de un circuito de control de temperatura, lo cual garantiza una temperatura estable y precisa durante el cultivo, permitiendo así que la producción se realice estrictamente según los procedimientos establecidos. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png Figura 8: Diseño de control de temperatura en los tanques de fermentación para la esterilización rápida del medio de cultivo y el control preciso de la temperatura durante el proceso de fermentación. Además de las condiciones mencionadas anteriormente, existen muchas otras condiciones en las que se puede controlar la temperatura de los equipos de tipo tanque. En el diseño de sistemas de control de temperatura para equipos en tanques, es necesario, siempre y cuando se cumplan los requisitos del proceso de producción, tener en cuenta tanto los costos de construcción como los requisitos legales, a fin de diseñar sistemas de control de temperatura que satisfagan todas las condiciones requeridas. Los conceptos de diseño y los modos de funcionamiento de varios sistemas de control de temperatura descritos en el texto han sido aplicados con éxito en el proceso de producción real. Además, estos esquemas de control pueden servir como referencia para el diseño de sistemas de control de temperatura. Autor: Yan Liujun. Fuente: Biblioteca Técnica, yunrun.com.cn/tech/