DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE INSPECCIÓN DE FILTROS HEPA USADOS EN LAS UNIDADES DE MANEJO DE AIRE (UMA)

Adriana Herrera Moisés Millán Oswaldo Reyes

Campos Universitarios, Departamento de Diseño Mecánico y

Automatización Industrial, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Carabobo.

Valencia. Edo. Carabobo, Venezuela.

Resumen: Unos de los aspectos fundamentales en la producción de medicinas es el alto grado de limpieza y pureza del ambiente dentro de las áreas de manufactura; esta purificación de dichos ambientes se lleva a cabo por medio del filtrado de alta eficiencia del aire que es introducido a éstas áreas. Este filtrado se logra con la utilización de filtros HEPA (99.97 % de eficiencia), dispuestos en las unidades manejadoras de aire (UMA). Normas internacionales obligan a los laboratorios a someter a los mencionados filtros a pruebas de reto de aerosol en operación cada seis meses de uso, con el fin de garantizar el buen estado del mismo. Actualmente este procedimiento no es realizado en Pfizer (caso estudio) lo que representa una necesidad para el mismo. De aquí surge la necesidad de diseñar un sistema automatizado de inspección de filtros HEPA en operación usados en las UMA`s, con lo que se prevé un ahorro económico significativo en la utilización de dichos filtros y el cumplimiento de la normativa internacional que rige la operación de los mismos. Palabras clave: filtros HEPA, automatización y control. 1. INTRODUCCIÓN

En las áreas de manufactura de productos de Pfizer Venezuela se utiliza aire tratado para el acondicionamiento del ambiente de las mismas. Dicho aire se genera por medio de Chillers, que no es más que producir aire frió por medio de agua helada, mediante intercambiadores de calor y ventiladores; el cual es conducido por Unidades de Manejo de Aire (UMA) a todos los recintos a acondicionar. Debido a lo delicado de los procesos de manufactura y al cumplimiento de una serie de normativas internacionales que rigen las actividades de los laboratorios, se hace necesario que dicho flujo de aire sea acondicionado de manera tal de lograr una esterilidad total en los mismos. Los elementos más importantes para este requerimiento son los mencionados filtros HEPA, los cuales proveen una eficiencia de filtración de 99,97 %, lo que garantiza que el aire que por ellos circule se filtre apropiadamente. La problemática detectada radica en la utilización de los mencionados filtros HEPA, ya que deben operar bajo ciertas normas nacionales e internacionales; y una de las más importantes dice que a los seis (06) meses de operación del filtro, éste debe ser inspeccionado por el método de prueba de

reto de aerosol (Emery 3004), que no es más que inyectar un aerosol en la UMA y verificar la concentración del mismo antes y después del filtro, utilizando un generador de aerosol y un fotómetro, siendo el último el encargado de tomar las lecturas y calcular la eficiencia del filtro. Todo esto con el filtro instalado y operando. Este procedimiento no se realiza actualmente en la planta de Pfizer Venezuela, lo que origina que se subutilicen los filtros, ya que al no inspeccionarlos con este procedimiento, se deben desechar por razones de seguridad antes de que culmine su vida útil, lo que origina pérdidas económicas. Además de lo antes expuesto, las regulaciones nacionales e internacionales están obligando a los laboratorios a obtener un certificado de inspección de los filtros HEPA por medio del procedimiento antes descrito, y debido a que Pfizer Venezuela no cuenta con este tipo de inspección, se ve en la necesidad de darle pronta solución a este inconveniente. Por lo antes expuesto se diseñó un sistema de inspección de filtros Hepa por medio del uso de medidores de concentración de gas (existentes en el mercado), el cuál se instalará en el interior de las Unidades Manejadoras de Aire (UMA) y su principal función es la de inspeccionar el estado de los filtros a los seis (6) meses de uso y posteriormente revisarlos

en intervalos de tiempo prefijados para así garantizar el uso seguro y evitar las pérdidas de filtros en buen estado, aprovechando la visa útil de los filtros y lograr la disminución de costos para la empresa por este concepto. Esta inspección se llevará a cabo a lo largo y ancho de los filtros y marcos de los mismos para de esta forma asegurar que se inspeccione efectivamente la bancada de filtros. El resultado de la inspección será mostrado en una pantalla o display del medidor de concentración de gas (fotómetro) en donde el operador visualizará el resultado de la inspección.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo General. * Diseñar un sistema automatizado de inspección de filtros HEPA usados en las Unidades de Manejo de Aire (UMA). 2.2. Objetivos Específicos. * Diagnosticar la situación actual del proceso de inspección/mantenimiento de los filtros HEPA. * Diseñar el sistema mecánico que será necesario instalar para el montaje del sistema de inspección. * Diseñar el sistema de control necesario para el funcionamiento del sistema de inspección. * Evaluar económicamente el sistema diseñado.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3.1. Eficiencia de filtración. En un filtro se puede medir la eficiencia de filtración con un muestreo periódico de las partículas en la corriente a la entrada del colector y a la salida de este. La ecuación de eficiencia en un filtro relaciona la concentración a la entrada (CAa) del filtro respecto a la concentración a la salida (CAb) del mismo, es decir:

(1)

3.2. Filtro HEPA. El filtro HEPA es un filtro con una eficiencia mínima del 99,97 % en la partícula más difícil

de filtrar, que es la de 0,3 micrones de diámetro. Su eficiencia aumenta para las partículas que se alejan en tamaño de la medida indicada.

Figura # 1. Filtro HEPA.

Actualmente los filtros HEPA son reconocidos por la Environmental Protection Agency (EPA) como el método probado más reciente para limpiar el aire.

3.3. Fotómetro.

El fotómetro es un dispositivo diseñado para detectar las concentraciones totales de la medida del aerosol o de las partículas de aire en corrientes de proceso; es conveniente para comprobar que los sistemas de filtración en procesos de producción se encuentren funcionando dentro de los parámetros correctos. El dispositivo se utiliza para la supervisión de contaminación y la certificación de filtros usados en industrias farmacéuticas, alimenticias entre otras. Su funcionamiento consiste en una bomba de vacío que succiona el aire a través de una boquilla o probeta para así medir la concentración del aire aguas abajo del filtro y realizar la comparación respecto a la concentración aguas arriba del filtro para determinar la eficiencia punto a punto del filtro HEPA.

3.4. Generador de Aerosol.

La función principal de este dispositivo es generar un aerosol de concentración constante que va de 10 a 100 microgramos por litro (µg/l) en flujos de aire de 50 a 8.100 cfm @ 20psig, el cual se dispersa por toda el área en la que fue generado para así permitir al fotómetro determinar la diferencia de concentración aguas arriba y aguas abajo del filtro determinando de esta forma la integridad del mismo.

3.5 Unidad Manejadora de Aire (UMA). Son áreas de trabajo que complementan los sistemas de ventilación, encargados de conducir el aire de proceso a su destino final (Figura # 2), proporcionándole a éste las

condiciones mínimas necesarias para poder ser utilizado en dichas áreas. Esto se hace por medio de filtración de baja, media y alta eficiencia.

Figura # 2. UMA.

4. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA DE

INSPECCIÓN DE FILTROS HEPA DISEÑADO

En la figura #3 se muestra el conjunto armado del sistema de inspección de filtros HEPA, compuesto por dos actuadores neumáticos lineales sin vástago horizontales (1) y un actuador neumático lineal sin vástago vertical (2). También se muestra la probeta del fotómetro (3), la cual se encuentra unida al actuador vertical. Los actuadores horizontales se encuentran empotrados a unos soportes (4) que a su vez se apernan a unas vigas de acero galvanizado (5) que forman parte de la estructura física de la unidad manejadora de aire (UMA).

Figura # 3. Conjunto armado del Sistema

de inspección.

4.1. Descripción de componentes.

4.1.1. Probeta del fotómetro. En la figura # 4 se muestra la probeta del fotómetro que fue diseñada para el sistema de inspección de filtros HEPA y las dimensiones principales de la boquilla de succión. Debido a los requerimientos de las condiciones del aire para laboratorios, el material a utilizar es

acero inoxidable, ya que éste tiene la ventaja de no corroerse con facilidad.

Figura # 4. Probeta del fotómetro.

4.1.2. Soporte para los Actuadores Neumáticos Horizontales.

En la figura # 5, se muestra el soporte (1) diseñado para fijar los actuadores horizontales (2), con el fin de que actúen como medio de fijación de todo el conjunto; además de absorber todas las cargas debido a las masas de los componentes y con esto evitar que los actuadores horizontales reciban la carga y puedan sufrir las consecuencias de este estado de esfuerzos. El material seleccionado para este soporte es acero inoxidable 304 debido a las condiciones mínimas de esterilidad requeridas del proceso.

Figura # 5. Soporte para Act. Horizontales.

4.1.3. Acople entre actuadores.

En la figura # 6 se muestra el conjunto armado de unión entre los actuadores neumáticos horizontales y el actuador neumático vertical. Este tipo de unión viene diseñada para colocar los actuadores en la posición mostrada en dicha figura, con el fin de brindar el mejor y más seguro acople entre los actuadores.

Figura # 6. Acople entre actuadores.

8 cm

8 cm

(1) (2)

(3)

4.2. Análisis del estado de esfuerzos del conjunto armado. Primero se determinaron los momentos aplicados en los actuadores neumáticos y se hizo la verificación de operación segura al compararlos con los momentos máximos referidos en los catálogos de los mismos. Luego se diseñaron los pernos de fijación del conjunto armado por medio del método de diseño de uniones apernadas universal y el criterio de Tresca por corte puro, verificándose que los mismos operan bajo condiciones seguras. Para finalizar el estudio del estado de esfuerzos se hizo un análisis de esfuerzos por medio del método de elementos finitos de las piezas más esforzadas del sistema mecánico del sistema de inspección de filtros. Para realizar este estudio se hizo un Análisis de Convergencia, que consiste en la asignación con el programa computacional Visual Nastran de un número de nodos aleatorios, donde un nodo se define como el punto donde se conectan los elementos finitos entre sí, para después graficar tales números con respecto al estado de esfuerzos, en dicha gráfica se observará una tendencia constante del valor del esfuerzo por Teoría de Von Mises – Hencky, en un conjunto de nodos específicos. Luego se seleccionará un punto aleatorio de ese intervalo, calculándose el factor de seguridad, obteniendo todos los esfuerzos principales (s x, s y, s z, t xy, t xz, t yz) y el desplazamiento total en las direcciones X, Y y Z. En la figura # 7 se muestra un ejemplo del análisis al soporte para actuadores horizontales. Figura # 7. Análisis al soporte p/ Act. Horiz. 5. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

DEL DISPOSITIVO DE INSPECCIÓN En la figura # 8 se muestra el diagrama de recorrido que debe realizar la probeta del fotómetro para cubrir toda el área de los filtros. Hay que acotar que la misma debe dar

19 pasos verticales desde la posición inicial superior.

Figura #8. Diagrama de recorrido probeta.

5.1. Diagrama de flujo para el movimiento de la probeta.

Se elaboró un diagrama de flujo para describir las operaciones básicas necesarias para llevar a cabo todo el movimiento previsto por la probeta. Hay que acotar que éste diagrama se realiza con el fin de generalizar la programación del movimiento y así poder ser codificado para cualquier lenguaje de programación existente en el mercado de controladores en el campo de la automatización industrial.

Figura # 9. Diagrama de flujo.

El sistema de control del dispositivo de inspección de filtros HEPA está basado en una tecnología híbrida: Electrónica – Neumática. La misma fue seleccionada debido a las ventajas que ofrece cada una. La electrónica por su parte facilita el manejo de

Punto inicial del

movimiento X = 0, Y = 0

Bancada de filtros HEPA

1830 mm

1230

mm

Punto final del movimiento X = 0, Y = 1230 mm

INICIO

x=0; y=0; i=0;Paso=64

Y = - C*Paso;C=i

C es par?

X >= 0 X<=1830

X<1830 X> 0

X+=incrementoX X-=decrementoX

X=1830 X=0

i=i+1

i > 19

FIN

si no

no

si

si

si

si

no

no

no

no

no

si

si

si

no

señales tanto analógicas como digitales para fines de control; ofrece una alta rapidez de respuesta, alta presición y permite que el sistema ejecute diversas actividades, es decir, mejora su flexibilidad. A su vez se escogió la neumática como la parte de potencia, ya que es una de las tecnologías de posicionamiento más económicas al compararla con la electromecánica, en cuanto a la inversión inicial y al consumo de energía; es de fácil instalación y operación; ofrece altas prestaciones en el posicionamiento, con una alta precisión y repetibilidad. Además de cumplir con las normativas internacionales en el manejo de equipos dentro de laboratorios farmacéuticos.

5.2. Descripción de la estructura del sistema de control. En la figura # 10, se presenta el diagrama general de conexiones necesario para llevar a cabo el control de movimientos del sistema automático de inspección de filtros hepa. Figura # 10. Estructura del sistema de control.

Tabla # 1. Leyenda de componentes. La programación del movimiento que describirán los actuadores lineales (6) es dirigida por el controlador de ejes ó PLC (1), en el que se establece y programa el control de la operación del proceso de inspección; esto se hace por medio de una conexión alámbrica con un ordenador o PC, utilizando algún software de programación por ejemplo WinPisa, en el caso de utilizar un controlador

de ejes SPC-200 (de FESTO). La conexión entre el controlador y el primer ramal de ejes (1º eje y 2º eje) se realiza por medio de una interface de ejes (2), en donde se conectan simultáneamente la válvula posicionadora (4), el sensor de posición del actuador lineal (6) y la otra interface (2) para el siguiente eje, ésta conexión se realiza por medio de un conector de interfaces de ejes (3). Para el segundo ramal de ejes (3º eje) se utiliza un subcontrolador adicional en el controlador (1) y la conexión se realiza de igual forma que para el primer ramal de ejes. La alimentación de todo el sistema se realiza por medio de una fuente de 24V DC, la misma es conectada a una entrada del Controlador / PLC (1). En la figura # 11 se muestra el diagrama de conexiones neumáticas necesarias para llevar a cabo el recorrido de la probeta del fotómetro.

Figura # 11. Conexiones neumáticas.

5.3. Descripción de la unidad de mantenimiento del aire comprimido. El aire proviene de una fuente existente en la sala de máquinas donde será instalado el sistema de inspección de filtros. Éste se conecta a una válvula de cierre manual, luego el aire pasa a una unidad de filtro con regulador de presión, el cual ofrece un grado de filtrado de 40 µm. Posteriormente se hace pasar el aire por una combinación de filtros de alta eficiencia, en donde primero se filtra a 1 µm y luego a 0.1 µm, esto con el fin de eliminar cualquier partícula submicrónica presente en el aire de diámetro menor que 0.1 µm. Después se conduce el aire hacia un filtro de carbón activado con la finalidad de eliminar cualquier rastro de olores o aceites presentes en el aire, también este filtro elimina rastros de humedad, este tipo de filtros son recomendados para la industria farmacéutica y la alimenticia. Luego el aire se hace pasar por una válvula de cierre

Fuente 24V DC

(1) Controlador / PLC

(2) INTERFACE (2) INTERFACE (2) INTERFACE

(3) CONEXIÓN

(4) VÁLVULA (4) VÁLVULA (4) VÁLVULA

(5)

(6) Actuador Lineal

Ordenador (PC)

1º Ramal de Ejes

2º R

amal

de

Eje

s

1º Eje 2º Eje 3º Eje

Del

sen

sor

de

reco

rrid

o de

l act

uado

r

Del

sen

sor d

e

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l act

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r

Del

sen

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l act

uado

r

(6) Actuador Lineal (6) Actuador Lineal

Unidad de Mantenimiento

Válvula Posicionadora Válvula Posicionadora Válvula Posicionadora

Actuador Lineal Neumático Actuador Lineal Neumático Actuador Lineal Neumático

eléctrica y por un distribuidor, este conjunto es regido por el presostato, en el cual se gradúa la presión mínima de operación del sistema, y sólo permitirá el flujo de aire si la presión predeterminada se alcanza, esto se utiliza como dispositivo de seguridad en caso de recibir una presión más baja que la presión de funcionamiento.

6. FACTIBILIDAD ECONÓMICA Para el estudio económico del sistema diseñado se evaluó el Valor actual de dos alternativas, una es la implementación del sistema diseñado con inversión inicial de Bs.: 45.000.000,00 y la otra es la contratación de una empresa en el ramo de inspección de filtros para que manualmente realice la inspección de los mismos. Resultando con menor valor actual y alternativa más rentable la primera opción, ya que dicha empresa cobra Bs.:21.600.000,00 anuales por el servicio mencionado, lo que resulta un costo muy elevado.

7. CONCLUSIONES * Con el diseño del sistema automático de inspección de filtros HEPA se prevé un ahorro en el consumo de filtros, ya que al ser instalado el mencionado sistema se podrá prolongar el tiempo de uso de los mismos. Además de garantizar el cumplimiento de la normativa internacional para el manejo de filtros HEPA. * Se utilizó tecnología híbrida eléctro-neumática debido a que ofrece las más altas prestaciones para el sistema requerido, además de ser de fácil utilización e instalación y de bajo costo en el mercado. * Mediante una evaluación económica, se determinó que el proyecto es económicamente factible, ya que el modelo de rentabilidad aplicado arrojó valores positivos en comparación con la opción de solicitar el servicio de inspección de filtros HEPA a una empresa especialista en el ramo.

8. RECOMENDACIONES

* Se recomienda ampliar este trabajo de investigación, agregándole un grado de libertad más en el movimiento de la probeta del fotómetro; donde se propone que se pueda mover en las coordenadas X, Y y Z, con el fin de poder ajustar la distancia de la misma respecto del banco de filtros una vez instalado el dispositivo, ya que no todas las UMA`s son iguales a las instaladas en Pfizer Venezuela, y

en algunas existen restricciones físicas que impiden cumplir con la separación de 2,5 cm entre la probeta y el banco de filtros, distancia que exige la norma para realizar la prueba de reto de aerosol para filtros HEPA. * Se recomienda ampliar el alcance de este trabajo donde se genere un reporte gráfico específico del punto exacto donde se ubicó alguna fuga en el filtro, esto se lograría relacionando la señal de alarma del fotómetro con el PLC/Controlador, con el fin de presentar un reporte detallado de las fugas encontradas y su punto de ubicación.

REFERENCIAS

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