patrocinadoSistemas de vacío para laboratorio Diseño y optimización para un funcionamiento eficiente

Los sistemas de vacío suelen funcionar en segundo plano en el laboratorio. Pero, ¿qué ocurre cuando las bombas de pre-vacío están diseñadas de forma ineficiente? Un ejemplo práctico muestra por qué la arquitectura del sistema de suministro de vacío es determinante para los costes, la estabilidad y las condiciones de trabajo.

El héroe anónimo del funcionamiento del laboratorio

Si acude a un laboratorio analítico, se encontrará con la tecnología del vacío. El vacío evita, por ejemplo, la dispersión de iones en los espectrómetros de masas y garantiza la medición de la relación masa-carga. Muchos otros procesos de laboratorio no funcionarían sin la tecnología del vacío.

La tecnología del vacío se utiliza en numerosas aplicaciones de laboratorio, tal y como muestra la figura 1:

Algunos ejemplos son los instrumentos analíticos, las aplicaciones de síntesis preparativa y las ciencias de las superficies.

Configuraciones de vacío ineficaces

Los sistemas de vacío en el laboratorio deben garantizar las condiciones de funcionamiento necesarias. Las configuraciones de vacío no optimizadas pueden afectar a este objetivo.

Las consecuencias de un suministro insuficiente de vacío pueden ser las siguientes:

• Avería del equipo
• Mayor esfuerzo de mantenimiento
• Aumento del consumo energético
• Aumento de las emisiones sonoras
• Nivel de vibración elevado

• Mayor riesgo de contaminación
• Condiciones de vacío menos estables
• Variaciones en los resultados analíticos o experimentales

Los costes directos se deben a los tiempos de inactividad, a la reducción de los intervalos de mantenimiento y al consumo innecesario de energía; los costes indirectos se deben, entre otras cosas, al aumento de los gastos de personal. El aumento de los niveles de ruido y vibraciones merma la calidad del lugar de trabajo.

Un sistema de suministro de vacío optimizado reduce los costes de explotación, aumenta la estabilidad del proceso y puede mejorar las condiciones de trabajo al reducir las emisiones de ruido.

Otros aspectos de un suministro de vacío optimizado:

• Interacción entre varias bombas y presión de vacío previo necesaria: Muchas aplicaciones de laboratorio requieren un alto vacío, que suele generarse mediante varias etapas de bombeo. La presión de vacío previo es un parámetro de diseño importante. Una bomba de vacío previo demasiado pequeña puede reducir el rendimiento de vacío de todo el sistema. Por el contrario, un sobredimensionamiento conlleva un mayor consumo energético.
• Bombas inteligentes: las bombas de vacío con regulación de velocidad adaptan su punto de funcionamiento al proceso, lo que reduce el consumo de energía eléctrica y el desgaste mecánico de los componentes móviles. Además, se reducen los niveles de ruido y las vibraciones.
• Sustitución de varias bombas de vacío pequeñas por una más grande: en muchos laboratorios funcionan varios instrumentos en paralelo, cada uno de los cuales utiliza bombas de vacío preliminares externas. Una bomba preliminar más grande y con las dimensiones adecuadas puede mejorar la eficiencia y reducir el espacio necesario.
• Suministro centralizado de vacío en lugar de suministro individual descentralizado: un sistema centralizado proporciona un nivel de vacío definido y abastece a varios puestos de trabajo o instrumentos. En comparación con las soluciones individuales, puede mejorar la eficiencia, la planificación del mantenimiento y reducir las emisiones de calor y ruido.
• Redundancia: si falla el sistema de generación de vacío, se producen paradas, mediciones erróneas o fallos en el proceso. La redundancia reduce el riesgo de que se produzca un único punto de fallo.

Sistema centralizado de vacío previo en Eurofins Umwelt West GmbH

Eurofins Umwelt West GmbH, con sede en Wesseling, analiza contaminantes ambientales en muestras de agua, aire y suelo. En los laboratorios se utilizan numerosos sistemas de GC/MS y cada uno de ellos cuenta con su propio sistema de suministro de vacío previo.

El gran número de bombas de prealimentación lubricadas con aceite planteó los siguientes retos:

• Aumentaron el nivel de ruido en el laboratorio.
• El calor residual generado por las bombas tenía que ser disipado mediante el sistema de aire acondicionado, lo que suponía unos costes adicionales.
• Cada una de las bombas requería un mantenimiento periódico.
• El consumo energético de las bombas ascendió a una cifra considerable
• Existía el riesgo de reflujo de vapores de petróleo (hidrocarburos).

La configuración inicial presentaba margen de optimización. Por ello, se sustituyeron diez bombas de paletas lubricadas con aceite por dos bombas de vacío de espiral. Los cálculos del caudal de gas previsto confirmaron que una HiScroll 18 puede abastecer a los diez espectrómetros de masas. La segunda bomba proporciona redundancia en caso de avería o mantenimiento. La figura 2 muestra, de forma simplificada, el esquema de vacío optimizado del laboratorio.

Cada HiScroll (1) suministra vacío previo a cinco sistemas GC/MS (5). Las dos tuberías de vacío previo están conectadas mediante una válvula de esquina controlable (3). El controlador (OmniControl, 2) abre la válvula en caso de fallo de la bomba. Esta configuración garantiza que los diez sistemas GC/MS sigan recibiendo vacío previo en caso de mantenimiento o avería. Se han instalado válvulas manuales (4) para el mantenimiento de los instrumentos.

El consumo eléctrico relacionado con las bombas se redujo entre un 60 % y un 70 %. Además, disminuyó la necesidad de climatización, ya que la emisión de calor se redujo al haber menos bombas en funcionamiento. Se eliminó la necesidad de gestionar los residuos de aceite y se mejoró el entorno de trabajo gracias a la reducción de los niveles de ruido.

Resumen

Los sistemas de vacío son una infraestructura esencial en los laboratorios. Influyen en la estabilidad analítica, la disponibilidad de los equipos, el consumo energético, el riesgo de contaminación y las condiciones de trabajo. A menudo, los sistemas de prevacío se diseñan para cada instrumento en lugar de para el conjunto de la instalación. Esto puede reducir la eficiencia y la estabilidad operativa. Entre las medidas de optimización más importantes se encuentran las etapas de bombeo coordinadas, una presión de prevacío definida, el suministro centralizado de vacío y la redundancia. El caso de Eurofins Umwelt West GmbH lo ilustra: diez bombas de paletas en sistemas GC/MS se sustituyeron por dos bombas de espiral en configuración redundante. De este modo, se redujo el consumo eléctrico relacionado con las bombas entre un 60 % y un 70 %, así como las necesidades de climatización y los costes de mantenimiento. Además, se eliminó la necesidad de gestionar los residuos de aceite y mejoraron las condiciones de trabajo. Las soluciones centralizadas no siempre son necesarias, pero pueden ofrecer ventajas cuando hay varios instrumentos. Por lo tanto, la arquitectura de vacío debería considerarse un parámetro de diseño estratégico en el funcionamiento de un laboratorio.