Scegliere un serbatoio di processo basandosi esclusivamente sulla capacità nominale in litri è uno dei modi più semplici per creare un collo di bottiglia in una linea per latticini, succhi o bevande. Un «serbatoio da 1.000 L» non fornisce automaticamente 1.000 L di prodotto vendibile a ogni ciclo, e una linea continua tarata in litri all’ora non può essere abbinata a un serbatoio per lotto senza considerare il tempo.
Presso Weishu produciamo e configuriamo serbatoi in acciaio inossidabile per il mescolamento come parte di ordini individuali di attrezzature e di linee complete di lavorazione. Prima di selezionare volume del serbatoio, geometria, agitazione, riscaldamento o raffreddamento e sistemi di controllo, adattiamo il recipiente al prodotto e al programma produttivo del cliente.
La domanda utile è:
Quanto prodotto utilizzabile deve preparare o contenere il serbatoio, e con quale velocità deve ripetere tale operazione per mantenere in funzione il resto della linea?
La risposta deriva dal volume operativo, dal ciclo di produzione per lotto, dal flusso a valle, dalle operazioni di pulizia, dal comportamento della ricetta e dal programma produttivo giornaliero.
Il volume nominale non corrisponde al volume operativo
Il volume nominale o totale descrive la capacità interna complessiva del recipiente. Il volume operativo è la quantità utilizzabile durante la produzione normale, mantenendo lo spazio libero in testa, la copertura del miscelatore, le prestazioni di scambio termico e i limiti operativi richiesti dal processo.
Il volume utilizzabile può essere inferiore a causa di:
- formazione di schiuma durante l’aggiunta della polvere o l’agitazione;
- espansione del liquido durante il riscaldamento;
- controllo del vortice;
- livello minimo richiesto per l’agitatore, i sensori, l’uscita o la superficie di riscaldamento;
- requisiti di ricircolo;
- prodotto residuo nel recipiente e nelle tubazioni collegate;
- limiti di controllo del lotto;
- spazio necessario per l’azione di pulizia.
Il margine richiesto dipende dal prodotto e dal design. Non si deve assegnare automaticamente la stessa percentuale di riempimento a un liquido a bassa schiumosità e a una miscela lattiero-casearia ricca di polveri senza prima averla esaminata.
Nella nostra proposta di serbatoi, distinguiamo il volume totale del recipiente dall'intervallo di volume operativo consigliato, in modo che il cliente possa vedere quanto prodotto il serbatoio è progettato per gestire durante il normale funzionamento.
Iniziare con il programma di produzione
Prima di calcolare un serbatoio, definire:
- produzione vendibile richiesta al giorno;
- ore di funzionamento per turno e numero di turni al giorno;
- numero di prodotti e ricette;
- flusso su linea continua;
- capacità del riempitore;
- tempo di preparazione del lotto;
- tempo di trasferimento;
- tempo di riscaldamento e raffreddamento;
- controlli di qualità o tempo di attesa;
- tempo di pulizia;
- manutenzione programmata e cambi di produzione.
Ciò rivela quanti lotti sono effettivamente possibili. Un impianto che opera per otto ore non dispone di otto ore complete di produzione, se avviamento, CIP, cambi di sapore e arresto occupano parte della giornata.
Una semplice relazione di capacità
Per un controllo iniziale di pianificazione:
Volume operativo richiesto per lotto = portata a valle × tempo per cui il lotto deve alimentare il processo
Se un processo a valle utilizza 2.000 litri all’ora e un lotto preparato deve alimentarlo per 30 minuti, il volume operativo iniziale richiesto è:
2.000 L/h × 0,5 h = 1.000 L
Questa non è ancora la capacità del serbatoio. Nel calcolo devono essere ancora considerati lo spazio libero operativo, il prodotto residuo, la sovrapposizione delle fasi di preparazione, il metodo di trasferimento e il livello minimo di funzionamento.
L’esempio presuppone inoltre che il lotto successivo possa essere pronto prima del completamento del primo lotto. Se le fasi di preparazione, riscaldamento e collaudo richiedono più di 30 minuti, un singolo serbatoio non riesce a garantire un approvvigionamento continuo. Le opzioni disponibili sono: aumentare la dimensione del lotto, aggiungere un altro serbatoio di preparazione, modificare il programma oppure ridurre la portata continua.
Calcolare l’intero ciclo di produzione di un lotto
Un ciclo di produzione di un lotto può includere:
- verifiche pre-operative;
- caricamento di acqua o liquido;
- aggiunta degli ingredienti;
- miscelazione o idratazione;
- riscaldamento;
- regolazione della qualità o rilascio;
- trasferimento al processo successivo;
- recupero del prodotto;
- risciacquo e CIP;
- preparazione per il lotto successivo.
Aggiungere queste durate invece di utilizzare esclusivamente il tempo di miscelazione.
Ad esempio, una ricetta potrebbe prevedere 20 minuti di miscelazione, ma richiedere 15 minuti per il caricamento, 25 minuti per il riscaldamento, 15 minuti per i test e le regolazioni, 20 minuti per il trasferimento e 40 minuti per la pulizia. L’occupazione del serbatoio è quindi molto più lunga del «tempo di miscelazione» indicato nella brochure.
Quando la produzione dipende da un rapido turnover dei lotti, la capacità di riscaldamento e raffreddamento può essere altrettanto importante del volume del serbatoio. Un serbatoio più grande con superficie di scambio termico insufficiente potrebbe allungare il ciclo e ridurre la produzione giornaliera.
Serbatoi per lotti che alimentano una linea continua
La miscelazione e la formulazione sono spesso operazioni a lotto, mentre la pastorizzazione, il trattamento UHT, l’omogeneizzazione o il riempimento possono avvenire in modo continuo. L’interfaccia richiede una strategia di buffer accuratamente pianificata.
Tre comuni configurazioni sono:
Serbatoi di preparazione alternati
Un serbatoio alimenta la linea mentre il secondo prepara il lotto successivo. Questa soluzione consente un funzionamento continuo quando il ciclo di preparazione rientra nel tempo di approvvigionamento e il passaggio da un serbatoio all’altro è controllato.
Serbatoio di preparazione più serbatoio tampone
Un serbatoio di preparazione produce ogni lotto e lo trasferisce in un serbatoio di bilanciamento o tampone. Il serbatoio tampone regolarizza il flusso, ma comporta un tempo di permanenza aggiuntivo, operazioni di pulizia, sistemi di controllo e requisiti per l’instradamento del prodotto.
Un unico serbatoio di grandi dimensioni per l’alimentazione di una campagna
Un serbatoio di maggiori dimensioni prepara una quantità sufficiente di prodotto per una produzione prolungata. Ciò riduce il numero di sostituzioni dei serbatoi, ma può aumentare il rischio legato al lotto, l’ingombro sul pavimento, i tempi di riscaldamento/raffreddamento e la quantità di prodotto interessata da un eventuale scostamento.
La configurazione ottimale dipende dal numero di ricette, dalla flessibilità richiesta, dalla sensibilità del prodotto e dal costo dei fermi macchina.
Non trascurare il riempitore
Molti progetti dimensionano le attrezzature a monte in base a un flusso di processo nominale, ma trascurano l’effettiva capacità di riempimento sostenibile. Le variazioni nel formato del confezionamento, la fornitura dei tappi, la codifica, le operazioni di rifiuto, il caricamento della pellicola o del cartone e l’imballaggio a valle possono ridurre l’effettiva capacità produttiva.
Se un sistema termico elabora 3.000 L/h, ma il riempitore gestisce in modo sostenibile solo 2.200 L/h per la dimensione del confezionamento scelta, la linea richiede un serbatoio tampone, un diverso programma di produzione o un migliore bilanciamento delle capacità. Aggiungere semplicemente un serbatoio di miscelazione più grande non risolve il collo di bottiglia.
Quando bilanciamo la linea, utilizziamo lo stesso prodotto, la stessa dimensione del confezionamento e le stesse ipotesi operative sia per la sezione di processo sia per il riempitore.
Le proprietà del prodotto influenzano la progettazione del recipiente.
La capacità è soltanto una delle variabili di selezione. Il nostro team di ingegneria verifica inoltre:
- intervallo di viscosità;
- densità;
- solidi e dimensione delle particelle;
- tendenza alla schiumatura;
- velocità di aggiunta della polvere;
- contenuto di olio o emulsione;
- ingredienti corrosivi;
- riscaldamento o raffreddamento richiesto;
- sensibilità al taglio o all'aerazione;
- requisiti igienici e di allergene;
- prodotti chimici per la pulizia e temperature;
- pressione di esercizio o vuoto, se del caso.
Queste proprietà influenzano il tipo di agitatore, i deflettori, il motore e il cambio, la disposizione dell'entrata, la giacca, l'isolamento, l'uscita, gli strumenti, la finitura superficiale, le guarnizioni e la pulizia.
Un serbatoio di dimensioni corrette in litri può comunque funzionare male se il miscelatore non bagna le polveri, sospende le particelle, protegge la consistenza o non raggiunge il livello minimo di lavoro.
Piano per lo spazio di comando e il livello minimo
La finestra operativa ha due limiti.
All'estremità superiore, è necessario un volume libero sufficiente per la schiuma, l'agitazione, l'aggiunta degli ingredienti e l'espansione termica. All'estremità inferiore, l'agitatore, i sensori e l'uscita devono continuare a funzionare come previsto.
Questo è rilevante per gli impianti flessibili. Una vasca scelta per un lotto grande potrebbe non miscelare efficacemente un lotto piccolo. Quando un cliente prevede diversi formati di lotto, verifichiamo il volume operativo minimo e massimo e selezioniamo la configurazione dell'agitazione in base all'intervallo operativo richiesto.
A volte due dimensioni di vasca offrono una flessibilità migliore rispetto a una singola vasca sovradimensionata.
Il tempo di pulizia è tempo di produzione
Il CIP occupa la vasca e il circuito collegato. Richiede inoltre acqua, prodotti chimici, riscaldamento, flusso di ritorno e capacità di scarico.
Includere:
- durata del risciacquo e del lavaggio;
- preparazione o recupero dei prodotti chimici;
- tempo di riscaldamento;
- tempo di scarico;
- verifica e rilascio;
- pulizia dopo cambi di allergeni o aromi;
- domanda simultanea da altri circuiti.
Se ogni serbatoio richiede la pulizia nello stesso momento, ma la stazione CIP serve un solo circuito, la sequenza di pulizia può limitare la produzione. Il numero di serbatoi deve quindi essere verificato sia rispetto alla capacità della stazione CIP sia rispetto alla capacità produttiva.
Vincoli di spazio, accessibilità e installazione
Verificare:
- diametro del serbatoio e altezza complessiva;
- piattaforma e altezza libera;
- accesso attraverso porte, tetto o pareti durante l’installazione;
- spazio di manutenzione sopra l’agitatore;
- accesso tramite boccaporto;
- accesso sicuro agli strumenti e alle valvole;
- pendenza e drenaggio delle tubazioni;
- carico sul pavimento o sulla struttura;
- percorso per il sollevamento e la sostituzione.
Un serbatoio che rientra nel layout del piano di un edificio potrebbe comunque risultare impossibile da installare o da manutenere. Prima di definire le dimensioni del recipiente e il piano di consegna, esaminiamo il disegno dell’edificio fornito dal cliente, il percorso di accesso, l’altezza del soffitto e gli spazi necessari per la manutenzione.
Checklist pratica per la scelta della capacità del serbatoio
Prima di richiedere un preventivo, preparare:
- nome del prodotto e sue proprietà;
- volume operativo richiesto;
- dimensione minima e massima del lotto;
- lotti al giorno;
- tempo completo del ciclo di lotto;
- flusso a valle e produzione del riempitore;
- numero di ricette e passaggi da una ricetta all’altra;
- obiettivi di riscaldamento e raffreddamento;
- metodo di aggiunta degli ingredienti;
- obiettivo di agitazione;
- metodo di pulizia e prodotti chimici utilizzati;
- requisiti relativi ai materiali e all’igiene;
- strumenti e automazione;
- dimensioni della stanza e accesso;
- piano di espansione futura.
Queste informazioni ci consentono di spiegare perché il volume del serbatoio proposto, la sua geometria, l’agitatore e il carico di utilities sono adatti al processo. I clienti che devono confrontare il serbatoio con altre apparecchiature possono inoltre esaminare la nostra documentazione completa gamma di Prodotti .
Domande frequenti
Un serbatoio da 1.000 L è adatto per una produzione da 1.000 L?
Non necessariamente. Un recipiente con volume totale di 1.000 L potrebbe non offrire sufficiente spazio libero operativo per una produzione da 1.000 L. Verificare il volume totale, il range operativo, la formazione di schiuma, l’espansione e i requisiti di miscelazione.
Quanti serbatoi di miscelazione richiede una linea continua?
Dipende dalla portata continua, dal tempo di preparazione del lotto, dal tempo di trasferimento, dal tempo di pulizia, dalle variazioni di prodotto e dal tempo di attività richiesto. Creare un programma basato sul tempo prima di scegliere un singolo serbatoio, serbatoi alternati o una configurazione tampone.
Devo scegliere un serbatoio più grande per un’eventuale espansione futura?
Consentire una certa crescita può essere utile, ma un serbatoio eccessivamente grande potrebbe funzionare in modo scadente con piccoli lotti e richiedere più spazio, risorse energetiche e tempo per la pulizia. Confermare il volume operativo minimo e valutare un’espansione modulare.
Quali informazioni sono necessarie per selezionare un agitatore?
Fornire viscosità del prodotto, densità, percentuale di solidi, dimensione delle particelle, comportamento schiumogeno, sensibilità al taglio, obiettivo di miscelazione, intervallo di dimensioni del lotto, temperatura e tempo di miscelazione richiesto.
La capacità del serbatoio determina la produzione giornaliera?
No. La produzione giornaliera dipende dal volume utile del lotto moltiplicato per il numero di cicli realizzabili, limitati da preparazione, riscaldamento, trasferimento, pulizia, lavorazioni a valle, riempimento e passaggi tra ricette.
Richiedere una Selezione Preliminare del Serbatoio
Contattate il nostro team di ingegneria fornendo dati sul prodotto, dimensione minima e massima del lotto, portata oraria della linea, tempo totale di ciclo, metodo di aggiunta degli ingredienti, esigenze di riscaldamento o raffreddamento, piano di pulizia e dimensioni dell’ambiente. Utilizzeremo questi dati per predisporre una configurazione preliminare di serbatoio e sistema di agitazione, da confermare in fase di ingegnerizzazione.
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