sponsorizzatoSistemi di vuoto da laboratorio Progettazione e ottimizzazione per un funzionamento efficiente

I sistemi di vuoto operano spesso in secondo piano nei laboratori. Ma cosa succede quando le pompe di pre-vuoto sono progettate in modo inefficiente? Un esempio pratico illustra perché l’architettura del sistema di vuoto è determinante per i costi, la stabilità e le condizioni di lavoro.

L'eroe sconosciuto del laboratorio

Se vi recate in un laboratorio analitico, vi imbatterete nella tecnologia del vuoto. Il vuoto, ad esempio, nei spettrometri di massa impedisce la dispersione degli ioni e garantisce la misurazione del rapporto massa-carica. Molti altri processi di laboratorio non funzionerebbero senza la tecnologia del vuoto.

La tecnologia del vuoto trova applicazione in numerose applicazioni di laboratorio, come mostra la figura 1:

Ne sono un esempio gli strumenti analitici, le applicazioni di sintesi preparativa e le scienze delle superfici.

Configurazioni del vuoto inefficienti

I sistemi di vuoto in laboratorio devono garantire le condizioni operative richieste. Configurazioni di vuoto non ottimizzate possono compromettere il raggiungimento di tale obiettivo.

Le conseguenze di un'alimentazione del vuoto insufficiente possono essere:

• guasto dell'apparecchio
• Maggiore impegno nella manutenzione
• Aumento del consumo energetico
• Aumento delle emissioni acustiche
• Livello di vibrazioni elevato

• Rischio di contaminazione elevato
• Condizioni di vuoto meno stabili
• Variazioni nei risultati analitici o sperimentali

I costi diretti derivano dai tempi di fermo, dagli intervalli di manutenzione più brevi e dal consumo energetico superfluo, mentre i costi indiretti sono dovuti, tra l’altro, all’aumento delle spese per il personale. L’aumento dei livelli di rumore e vibrazioni compromette la qualità dell’ambiente di lavoro.

Un sistema di alimentazione del vuoto ottimizzato riduce i costi di esercizio, aumenta la stabilità del processo e può migliorare le condizioni di lavoro grazie alla riduzione delle emissioni acustiche.

Altri aspetti di un sistema di alimentazione del vuoto ottimizzato:

• Interazione tra più pompe e pressione di prevuoto richiesta: molte applicazioni di laboratorio richiedono un alto vuoto, che viene solitamente generato tramite più stadi di pompaggio. La pressione di prevuoto è un parametro di progettazione importante. Una pompa di prevuoto troppo piccola può compromettere le prestazioni di vuoto dell’intero sistema. Un sovradimensionamento comporta un aumento del fabbisogno energetico.
• Pompe intelligenti: le pompe per vuoto a velocità variabile adattano il proprio punto di funzionamento al processo, riducendo così il fabbisogno di energia elettrica e lo stress meccanico sui componenti mobili. Inoltre, si riducono anche i livelli di rumore e le vibrazioni.
• Sostituzione di diverse pompe per vuoto di piccole dimensioni con una più grande: in molti laboratori operano contemporaneamente diversi strumenti, ciascuno dei quali utilizza pompe di pre-vuoto esterne. Una pompa di pre-vuoto più grande e adeguatamente dimensionata può migliorare l'efficienza e ridurre l'ingombro.
• Alimentazione centralizzata del vuoto anziché alimentazione decentralizzata individuale: un sistema centralizzato fornisce un livello di vuoto definito e alimenta più postazioni di lavoro o strumenti. Rispetto alle soluzioni individuali, può migliorare l’efficienza, la pianificazione della manutenzione e ridurre le emissioni termiche e acustiche.
• Ridondanza: in caso di interruzione della generazione del vuoto, si verificano fermi macchina, misurazioni non valide o anomalie di processo. La ridondanza riduce il rischio di un singolo punto di guasto.

Sistema centrale di pre-vuoto presso Eurofins Umwelt West GmbH

Eurofins Umwelt West GmbH, con sede a Wesseling, analizza gli inquinanti ambientali presenti in campioni di acqua, aria e suolo. Nei laboratori vengono utilizzati numerosi sistemi GC/MS e ogni sistema dispone di un proprio sistema di pre-vuoto.

L'elevato numero di pompe preliminari lubrificate a olio ha comportato le seguenti sfide:

• Hanno aumentato il livello di rumore nel laboratorio.
• Il calore residuo generato dalle pompe doveva essere dissipato dall'impianto di climatizzazione, il che comportava costi aggiuntivi.
• Ogni singola pompa richiedeva una manutenzione regolare.
• Il consumo energetico delle pompe era piuttosto elevato
• Esisteva il rischio di riflusso di vapori di petrolio (idrocarburi).

La configurazione iniziale presentava un potenziale di ottimizzazione. Pertanto, dieci pompe rotative a paletta lubrificate a olio sono state sostituite con due pompe per vuoto a spirale. I calcoli della portata di gas prevista hanno confermato che una HiScroll 18 è in grado di alimentare tutti e dieci gli spettrometri di massa. La seconda pompa garantisce la ridondanza in caso di guasto o manutenzione. La figura 2 mostra in forma semplificata lo schema di vuoto ottimizzato nel laboratorio.

Ogni HiScroll (1) fornisce il vuoto preliminare a cinque sistemi GC/MS (5). Le due linee del vuoto preliminare sono collegate tramite una valvola ad angolo controllabile (3). Il controller (OmniControl, 2) apre la valvola in caso di guasto della pompa. Questa configurazione garantisce che tutti e dieci i sistemi GC/MS continuino a ricevere il vuoto preliminare in caso di manutenzione o guasto. Per la manutenzione degli strumenti sono state installate delle valvole manuali (4).

Il consumo energetico legato alle pompe è diminuito del 60-70%. Inoltre, è diminuito il fabbisogno di climatizzazione, poiché la dispersione di calore è diminuita grazie al minor numero di pompe in funzione. Non è più stato necessario smaltire l'olio e l'ambiente di lavoro è migliorato grazie alla riduzione dei livelli di rumore.

Sintesi

I sistemi di vuoto costituiscono un'infrastruttura essenziale per i laboratori. Influiscono sulla stabilità analitica, sulla disponibilità degli impianti, sul consumo energetico, sul rischio di contaminazione e sulle condizioni di lavoro. Spesso i sistemi di prevuoto vengono progettati per il singolo strumento anziché per l'intero impianto. Ciò può ridurre l'efficienza e la stabilità operativa. Importanti misure di ottimizzazione sono: stadi di pompaggio coordinati, pressione di prevuoto definita, alimentazione centralizzata del vuoto e ridondanza. Il caso della Eurofins Umwelt West GmbH ne è un esempio: dieci pompe a rotativa montate su sistemi GC/MS sono state sostituite da due pompe a spirale in configurazione ridondante. Ciò ha comportato una riduzione del 60–70 % del consumo energetico legato alle pompe, del fabbisogno di climatizzazione e degli oneri di manutenzione. Inoltre, è stato eliminato lo smaltimento dell’olio e le condizioni di lavoro sono migliorate. Le soluzioni centralizzate non sono sempre necessarie, ma possono offrire vantaggi in presenza di più strumenti. L’architettura del vuoto dovrebbe quindi essere considerata un parametro di progettazione strategico nelle operazioni di laboratorio.