W produkcji spożywczej, farmaceutycznej i medycznej coraz więcej zadań jest automatyzowanych. Ma to na celu odciążenie pracowników od wykonywania czynności monotonnych i tych wymagających dużego wysiłku fizycznego, poprawę ich bezpieczeństwa, skrócenie czasu realizacji zadań i wzrost dokładności ich wykonywania. Ogranicza także wpływ personelu na czystość i jakość produkcji. Automatyzowanie operacji w tych branżach ułatwia to, że są one sekwencyjne i powtarzalne.
Ludzi zastępują i wspierają roboty przemysłowe i maszyny specjalistyczne. Branżą o bardzo szerokim zakresie zastosowań tych pierwszych jest produkcja i przetwórstwo żywności. Przykłady stanowisk, na których pracują roboty, można podać dla praktycznie wszystkich gałęzi przemysłu spożywczego – od owocowo-warzywnego, przez piekarniczy i cukierniczy, po mleczarski, rybny, mięsny i branżę napojową. Są wykorzystywane na różnych etapach produkcji i przetwarzania żywności, od przygotowania i obróbki surowców, przez kontrolę jakości gotowych wyrobów, po ich pakowanie i paletyzację.
Roboty w produkcji żywności
W zakładach spożywczych roboty przemysłowe wykonują przede wszystkim zadania pick & place: sortowanie (zdejmowanie z przenośnika uszkodzonych opakowań, odrzucanie zgniłych warzyw, podział owoców ze względu na dojrzałość na podstawie koloru), pakowanie (czekoladek w blistry, mięsa na tacki, pudełek do kartonów), rozładowywanie (wyjmowanie pustych butelek albo słoików ze skrzynek) i ładowanie (kontenerów, palet, skrzynek). Realizują też zadania specjalne.
Przykładem jest rozbiór tusz zwierzęcych. Robot na takim stanowisku wyposażany jest w narzędzie tnące, którym rozcina korpus, albo chwytak, którym go podnosi i naprowadza na piłę. Przeważnie jest sterowany wizyjnie. Na podstawie obrazów, które rejestrują kamery systemu wizyjnego, tworzy się komputerowy model tuszy. Jest on następnie poddawany analizie w oprogramowaniu, w celu ustalenia linii cięcia, zoptymalizowanych pod kątem szczegółów anatomii konkretnego egzemplarza korpusu.
Inny przykład z branży mięsnej to wykorzystanie robota do usuwania tłuszczu z wnętrza tuszy. W tym celu robot wyposażany jest w końcówkę ssącą. Korpusy wjeżdżają na stanowisko zawieszone na hakach i zatrzymują się przed zautomatyzowanym ramieniem. Sensory wykrywają obecność tuszy we właściwym miejscu. Wówczas robot przez rozcięcie w płacie mięsa wprowadza ssak. Po usunięciu tłuszczu tusza transportowana jest na kolejne stanowisko.
Nowe technologie w branży farmaceutycznej i spożywczej
Nowe technologie, zwłaszcza sztuczna inteligencja, mają potencjał by na wiele sposobów wpływać na tytułowe branże. Przykładowo AI może zrewolucjonizować opracowywanie nowych lekarstw. Tradycyjnie jest to złożony proces, trwający często wiele lat i wymagający poniesienia ogromnych nakładów finansowych na badania i testy. Dzięki sztucznej inteligencji, która analizuje i rozpoznaje wzorce w dużych zbiorach danych biologicznych, genetycznych i chemicznych, szybciej można zidentyfikować nowe substancje lecznicze, prognozować ich skuteczność i prawdopodobieństwo wystąpienia działań niepożądanych. AI znajduje również zastosowanie w badaniach klinicznych. Analizując dokumentację medyczną, sztuczna inteligencja ułatwia selekcję uczestników testów, a monitorując reakcje pacjentów i przewidując potencjalne skutki uboczne, pozwala ukierunkować badania, co zapewnia szybsze i wiarygodniejsze wyniki. Ponadto modele AI mogą analizować dane historyczne, trendy rynkowe i inne zmienne, aby przewidywać popyt i optymalizować zarządzanie zapasami. Pomaga to zmniejszyć ryzyko niedoborów leków, a zarazem zgromadzenia nadmiernych zapasów. Analizując dane produkcyjne, AI z kolei ułatwia spełnienie standardów bezpieczeństwa i jakości.
W branży spożywczej systemy kontroli jakości oparte na uczeniu maszynowym także przetwarzają dane z czujników na liniach produkcyjnych, aby wykrywać anomalie i zanieczyszczenia. Ponadto śledzą składniki w celu szybszego i dokładniejszego wycofywania produktów w razie wykrycia ich skażenia. AI jest też wykorzystywana w konserwacji predykcyjnej, dzięki czemu pozwala uniknąć nieoczekiwanych awarii i zoptymalizować użycie sprzętu. Analizując dane archiwalne i w czasie rzeczywistym, pomaga prognozować zapotrzebowanie, a zarazem optymalizować poziomy zapasów i usprawniać planowanie operacji logistycznych. Narzędzia oparte na AI pomagają również firmom zrozumieć indywidualne preferencje, ograniczenia dietetyczne i wymagania żywieniowe. Dzięki temu producenci mogą opracowywać produkty spożywcze lepiej dostosowane do konkretnych potrzeb konsumentów. Wykorzystują też sztuczną inteligencję w optymalizacji formuł produktów i tworzeniu nowych kombinacji smakowych.
Zrobotyzowane dekorowanie
Kolejny przykład to dekorowanie ciast, jedno z bardziej praco- i czasochłonnych zadań na liniach produkcji wypieków. Wykonywać je muszą osoby w tym zadaniu wyspecjalizowane, od których wymaga się: zręczności i pewności ruchów ręki, dobrego wzroku, zdolności skupienia, dokładności, powtarzalności. Na szczęście dekorowanie łatwo można zautomatyzować – ciasta produkowane masowo mają podobne wymiary i zdobienia, można więc zaprogramować robota tak, aby nakładał np. lukier na ciastka, tworząc określony wzór. Szczegóły realizacji takiego stanowiska zależą od: typu ciasta, produktu używanego do jego dekoracji, wymaganej szybkości i elastyczności
Specyficzne cechy polewy, kremu, posypki (konsystencja, lepkość, temperatura, sypkość) mają np. wpływ na osprzęt, taki jak typ dyszy, dozownika, rodzaj i parametry pracy pompy. Oprócz tego, w zależności od konfiguracji, może się poruszać aplikator albo ciasto. Pierwsze podejście zapewnia zwykle większą przepustowość systemu, a drugie – łatwiejsze przestrajanie, choć w praktyce zależy to od parametrów sprzętu. Roboty dekorujące są zazwyczaj sterowane wizyjnie – na podstawie danych z kamer określane są lokalizacja oraz orientacja wypieków na przenośniku. Systemy wizyjne wykorzystuje się także w kontroli jakości zdobień.
Jacek Łobodziec
ifm electronic
Na które z nowości ifm dla branży spożywczej warto szczególnie zwrócić uwagę?
Zacznijmy od modułów obiektowych ifm ze złączem skręcanym ecolink M12. Dzięki specjalnej konstrukcji obudowy z tworzywa PA, złączom ze stali nierdzewnej oraz wysokiej odporności na wnikanie (IP69K) są one trwałe i niewrażliwe na intensywne czyszczenie. Dalej – czujniki indukcyjne bezpieczeństwa. Wyróżniają się solidną, metalową obudową, chroniącą przed wilgocią czy efektami procesów czyszczenia. Działają od –25 do 100°C. Higieniczny przepływomierz SM Foodmag, do pomiaru przepływu płynnych i zawiesistych produktów spożywczych, wyposażony w IO-Link i łatwy w konfiguracji, dzięki cyfrowej transmisji danych eliminuje ostatni martwy punkt w procesie produkcyjnym. Z kolei wtyczka temperaturowa do zastosowań higienicznych i przemysłowych konwertuje wartości rezystancji sond temperatury na znormalizowane sygnały analogowe i przełączające, a dzięki 2-, 3- lub 4-przewodowemu połączeniu jest kompatybilna z elementami PT100/PT1000. Wreszcie, pasywna powierzchniowa sonda temperatury – umożliwia szybkie, elastyczne i łatwe konfigurowanie punktów pomiarowych, szczególnie na rurach o małych średnicach, a działa do 160°C.
Jakim trendom w branży spożywczej warto się przyglądać?
Coraz częściej wykorzystywane są w niej roboty współpracujące z ludźmi, zwiększając elastyczność i wydajność, a do transportu materiałów używa się autonomicznych robotów mobilnych (AMR). Systemy zarządzania magazynami oparte na sztucznej inteligencji oraz IoT umożliwiają efektywne monitorowanie i zarządzanie zapasami. Pojawiły się też technologie wysokociśnieniowe i superchłodzenie – innowacyjne procesy, przedłużające trwałość produktów bez sztucznych konserwantów. Kluczowymi elementami stają się też zrównoważone innowacje: recykling opakowań, alternatywne źródła energii i minimalizacja zużycia wody. Dodajmy na koniec przejrzystość łańcucha dostaw, bo technologie takie jak RFID umożliwiają śledzenie towarów od etapu ich wytwarzania aż po sklepową półkę.
Które rozwiązania są najbardziej obiecujące pod kątem czystości procesów?
Po pierwsze, automatyzacja procesów operacyjnych, bo zautomatyzowane systemy umożliwiają ciągłe śledzenie parametrów takich jak temperatura, wilgotność i czystość powietrza, co jest kluczowe dla utrzymania higieny. Redukują też błędy ludzkie, a zautomatyzowane systemy czyszczenia (CIP – Cleaning in Place) gwarantują dokładne i regularne czyszczenie sprzętu bez konieczności jego demontażu. Automatyzacja umożliwia łatwiejsze wdrażanie i utrzymanie systemów zarządzania jakością, takich jak HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) i GMP (Good Manufacturing Practices). Ostatni element to dokumentacja i śledzenie – rejestracja danych dotyczących produkcji ułatwia audyty i zapewnia pełną kontrolę procesów.
Po drugie, wykorzystanie sztucznej inteligencji. AI rewolucjonizuje zarządzanie pomieszczeniami czystymi poprzez analizę danych w czasie rzeczywistym, identyfikację wzorców i anomalii oraz proaktywną konserwację. Systemy oparte na AI automatyzują złożone decyzje, takie jak regulacja przepływu powietrza czy kontrola wilgotności, co zwiększa wydajność i zmniejsza ryzyko ludzkich błędów.
Jakie technologie zmniejszają zużycie zasobów i ilość odpadów podczas produkcji?
Kluczowe jest inwestowanie w nowoczesne maszyny i linie produkcyjne zaprojektowane tak, aby zużywały jak najmniej energii – np. w energooszczędne chłodnie i systemy grzewcze. Analiza i poprawa poszczególnych etapów produkcji pozwala na identyfikację obszarów, w których zachodzi zbyteczne zużycie zasobów. Ważne są wspomniana automatyzacja oraz cyfryzacja. Zaawansowane systemy ponownego wykorzystania wody w produkcji znacząco zmniejszają jej zużycie. Dodajmy do tego odnawialne źródła energii – panele słoneczne, energię wiatru lub biomasy, a także recykling i odzysk surowców oraz wprowadzanie biodegradowalnych opakowań.
Maszyny specjalistyczne
Maszyny tego rodzaju dostępne są w wersji zautomatyzowanej i półautomatycznej. Klasyfikuje się je także na przeznaczone dla określonych branż i o uniwersalnym zastosowaniu.
Przykład pierwszych to maszyny projektowane na potrzeby przemysłu rybnego. Takimi są automaty do filetowania. Ich komponentem są ostrza wycinające kręgosłup i żebra. Następny krok stanowi usunięcie ości. Celem jest wyjęcie jak największej ich liczby, bez uszkadzania struktury mięsa i jednocześnie z maksymalną wydajnością. W przykładowej realizacji filety są transportowane na przenośniku, ułożone skórą do dołu, a głowica próżniowa usuwa z nich ości. Parametry jej pracy i prędkość przesuwu transportera w maszynach tego rodzaju zostają dobrane pod kątem specyfiki układu kostnego konkretnych gatunków ryb, ale są przestrajalne. Przeważnie filety, z których maszynowo usunięto ości, dodatkowo kontroluje pod tym kątem personel.
Są też dostępne maszyny przeznaczone dla konkretnych gatunków ryb, które nie usuwają ości, ale je tną na krótkie, bezpieczne w razie połknięcia, kawałki. Na efektywność tego procesu ma wpływ gęstość nacięć (typowo co kilka milimetrów). Ich głębokość powinna być tak dobrana, żeby w czasie cięcia nie została uszkodzona skóra filetu, jeżeli wymaga tego wyrób końcowy.
Jak działa nalewarka?
Kolejnym przykładem są nalewarki wykorzystywane w branży napojowej. W produkcji piwa, win i soków popularne są te ciśnieniowo-przelewowe, które sprawdzają się w dozowaniu głównie płynów o małej lepkości. Ich zaletą jest duża szybkość napełniania. Ten typ nalewarki nie nadaje się jednak do dozowania gęstych płynów. W takim przypadku lepiej jest użyć napełniarki tłokowej.
Maszyny te odmierzają i dozują produkty o swobodnym przepływie, czyli rzadkie i średnio gęste ciecze. W ich działaniu wyróżnia się cztery etapy. W pierwszym nalewarka jest aktywowana przez system nadrzędny. Powoduje to otwarcie zaworu, którym produkt płynie z zasobnika do cylindra. Na skutek przesuwania się tłoka płyn jest zasysany. Po napełnieniu cylindra otwiera się zawór, którym produkt jest wtłaczany do dyszy. Powrót tłoka do pozycji wyjściowej wymusza przepływ płynu do głowicy i dalej do pojemnika.
Ilość produktu w każdym cyklu pobierana ze zbiornika i wtłaczana do opakowań zależy od średnicy wewnętrznej cylindra i długości skoku tłoka. Im większy cylinder, tym więcej płynu można w nim jednorazowo zmieścić. Ilość produktu wtłaczaną do pojemnika da się regulować, zmniejszając lub zwiększając długość skoku tłoka. Do kontroli jego położenia używane są zazwyczaj przełączniki zbliżeniowe.
Tabletkarki
Na potrzeby przemysłu farmaceutycznego projektuje się z kolei m.in. tabletkarki. To maszyny, w których proszki stanowiące mieszaninę substancji leczniczych oraz wypełniaczy są sprasowywane i formowane do postaci krążka.
Wyróżnia się dwa ich typy: z pojedynczym wykrojnikiem i prasy wielostanowiskowe (rotacyjne). Ich główne komponenty to: para stempli, górny i dolny, oraz matryca. W pierwszych dolny stempel pozostaje zwykle nieruchomy, zaś górny wywiera siłę w celu uformowania tabletki. W rotacyjnych poruszają się zarówno górny, jak i dolny stempel. Zależnie od wzoru stempla i kształtu matrycy tabletki mogą mieć różne kształty oraz wymiary. Oprócz stempli ściskających mieszankę tabletkową i matrycy, w obrębie której krążek jest formowany, częściami tabletkarek z pojedynczym wykrojnikiem są: zbiornik z granulatem i jego dozownik. Z kolei maszyny rotacyjne wyposażone są dodatkowo w: mechanizm rozprowadzający masę tabletkową do poszczególnych wnęk matrycy, rolki dociskowe usuwające jej nadmiar, zbierak, który przekierowuje tabletki wyrzucone z matrycy przez dolne stemple do rynny wyładowczej.
Automatyzacja mieszania
Przykład maszyn o uniwersalnym zastosowaniu, używanych w wielu gałęziach branży spożywczej i w przemyśle farmaceutycznym, stanowią automaty do mieszania. Zadanie to automatyzuje się, aby uzyskać jednorodną mieszankę o wymaganej konsystencji. W zależności od tego, w jakiej postaci występują składniki mieszaniny, wyróżnić można: mieszalniki (ciecze), mieszarki (suche proszki), zagniatarki (gęste pasty i ciasta).
W mieszaniu płynów zwykle najlepiej sprawdzają się automaty z mieszadłami śmigłowymi. W tego typu mieszalnikach ważne jest, żeby nie dopuszczać do powstawania regularności w przepływie, takich jak ruch okrężny cieczy, negatywnie wpływających na stopień wymieszania składników. W celu ich przełamania w ściany mieszalników wbudowuje się przegrody, albo śmigło montowane jest asymetrycznie.
W przypadku mieszarek proszków celem jest przemieszczenie sekcji cząstek względem siebie. Tego typu urządzenia wyposaża się np. w mieszadła wstęgowe, których przeciwskrętne wstęgi, obracając się na wale, przesuwają warstwy proszków w przeciwnych kierunkach.
Zagniatarki past i ciast wyróżniają się większą mocą i zaawansowanymi rozwiązaniami w zakresie odprowadzania ciepła, które w dużych ilościach wydziela się podczas ugniatania zwykle gęstych i lepkich wsadów. Mieszadło ma w nich zwykle kształt litery S. Jego zadaniem jest przemieszczanie, dzielenie i zgniatanie wsadu.
Jak się produkuje maseczki?
Maszyny specjalistyczne pracują jako samodzielne urządzenia, zastępujące personel w konkretnych zadaniach albo są komponentami ciągów technologicznych. Przykład to linia produkcji maseczek jednorazowych.
Na jej pierwszym stanowisku łączy się ze sobą różne materiały. Maseczki składają się typowo z trzech warstw różniących się właściwościami. Zewnętrzne zapewniają wytrzymałość i komfort noszenia, zaś środkowa ma właściwości filtrujące zarazki. Częścią linii produkcyjnej są ich podajniki, ustawione względem siebie w taki sposób, by rozwijane z bel materiały się na siebie nakładały. Na kolejne stanowisko podawane są już jako jedna, trzywarstwowa wstęga.
Ta jest następnie w specjalnej maszynie składana w "harmonijkę". Powstałe w ten sposób plisy umożliwiają dopasowanie maski do twarzy. Z rolki rozwijany jest również mostek na nos, który, tak jak brzegi maseczki, jest przymocowywany w zgrzewarce ultradźwiękowej.
W urządzeniach tych wykorzystuje się falę ultradźwiękową, która wzbudza cząsteczki zgrzewanych materiałów do drgań. To z kolei powoduje ich nagrzewanie się na skutek tarcia. W miejscu styku zgrzewane materiały topią się i wiążą ze sobą. Po ostygnięciu połączenie to się utrwala.
Po zgrzaniu brzegów maski muszą zostać przycięte do odpowiedniego rozmiaru. Ostatnim krokiem jest przymocowanie, również ultradźwiękowo, pętelek do zakładania za uszy.
Monika Korzeniowska
igus
Jakie nowe technologie w zakresie maszyn i rozwiązań wkroczyły w ostatnich latach do branż spożywczej i medycznej?
Pojawiły się nowe rozwiązania, które łączą wysoką wydajność z wymogami dotyczącymi czystości i higieny. Produkty firmy igus oferują opcje bezsmarowne, eliminujące ryzyko zanieczyszczenia produktów podczas ich obróbki. Jedną z nowości jest trybocoating, czyli powlekanie metalowych elementów materiałem ślizgowym iglidur IC-05PF. Jest on zgodny z FDA i EU 10/2011. Dzięki tej technologii komponenty spełniają najwyższe normy higieniczne, zyskując znakomite właściwości ślizgowe, co jest istotne w produkcji m.in. sera czy produktów mięsnych.
Na jakie trendy rozwojowe warto zwrócić uwagę?
W ostatnich latach widać wyraźny rozwój ekologicznych, bezsmarownych i możliwych do recyclingu technologii w zastosowaniach, które wymagają dużej precyzji i niezawodności. W tym aspekcie warto zwrócić uwagę na wykorzystanie w transporterach bezsmarownych polimerowych wkładów łożyskowych igubal wraz z oprawami kołnierzowymi lub stojakowymi, które idealnie zastępują tradycyjne metalowe łożyska UCP/UCF (wymagające smarowania), a których konstrukcja pozwala na zastosowanie ich w wymagających warunkach produkcji żywności. Dodatkowo, zaślepki igubal zapewniają pełną szczelność układu, co w produkcji spożywczej czy farmaceutycznej ma kluczowe znaczenie w kontekście higieny i łatwości czyszczenia.
Jakie rozwiązania w dziedzinie robotyki i automatyki są najbardziej obiecujące pod kątem zapewnienia czystości procesów?
Bardzo obiecującym rozwiązaniem są stoły liniowe drylin, połączone z przekładniami drygear Apiro. Ta technologia umożliwia precyzyjną regulację band i formatów w produkcji, przy minimalnym zużyciu energii i braku potrzeby smarowania, co znacznie ogranicza ryzyko zanieczyszczenia i ułatwia utrzymanie higieny. Stoły liniowe drylin wyróżniają się prostą konstrukcją, odporną na działanie wilgoci, co czyni je idealnym rozwiązaniem w branży spożywczej, gdzie czystość i łatwość czyszczenia mają kluczowe znaczenie. Dodatkowo, przekładnie drygear Apiro oferują możliwość precyzyjnego i łatwego ustawiania maszyn, co pozwala na znaczne skrócenie czasu dostosowania linii produkcyjnej do zmieniających się formatów opakowań.
Jaką pompę i przenośnik wybrać?
Niezbędny element linii produkcyjnych tytułowych branż stanowią systemy transportu. Zależnie od stanu skupienia surowców, półproduktów i gotowych wyrobów do ich przenoszenia używane są różne urządzenia. Produkty ciekłe, jak zupy, syropy, koncentraty, soki, oleje, mleko i wino pompuje się, podobnie jak te półpłynne (ciasta), zmielone (wsady kiełbas) i sypkie (cukier). Wybór typu pompy jest uwarunkowany ich konsystencją, gęstością i lepkością.
Do transportu cieczy lepkich zalecane są pompy membranowe, zwłaszcza te z podwójną membraną oraz zębate. Do pompowania produktów płynnych z cząstkami stałymi, jak jogurty z kawałkami owoców, nadają się pompy krzywkowe. Pompy śrubowe sprawdzają się w transporcie produktów o dużej gęstości, np. mielonego mięsa, serów i ciast. W przypadku płynów o małej lepkości lepiej korzystać z pomp odśrodkowych.
Surowce, półprodukty i gotowe wyroby, luzem i spakowane, transportuje się też na przenośnikach. Najpopularniejsze są te poziome, pionowe są natomiast używane na stanowiskach o ograniczonej powierzchni. Oszczędność miejsca zapewniają też taśmociągi łukowe.
Wybór typu powierzchni nośnej zależy od właściwości produktu. Znaczenie mają wymiary, waga, temperatura (produkty gorące, mrożone, schładzane), stabilność struktury (krucha, miękka, twarda, plastyczna), cechy specyficzne (mokra lub tłusta powierzchnia), sposób pakowania (bez osłony, opakowania jednostkowe, zbiorcze), typ opakowania (szklane, metalowe, papierowe). Przykładowo, przenośniki łańcuchowe są zalecane do transportu obiektów ciężkich i szerokich, rolkowe – dużych i ciężkich, modułowe – gorących.
Case study – Roboty w produkcji gumowych rękawiczek
Rękawiczki gumowe chronią ręce przed szkodliwymi czynnikami i zakażeniem w razie zagrożenia biologicznego. Są używane w służbie zdrowia, produkcji spożywczej, gastronomii, laboratoriach. Zależnie od zastosowania są jednorazowe, wielokrotnego użytku, sterylne, niesterylne, pudrowane (łatwiej je założyć na spocone ręce), bezpudrowe, gładkie, teksturowane na opuszkach palców albo na całej powierzchni. Wykonuje się je z lateksu z kauczuku naturalnego, odpornego na większość kwasów, zasad, ale przepuszczalnego dla niektórych rozpuszczalników. Dzięki dużej rozciągliwości rękawiczki z lateksu są wygodne. Zapewnia on też dopasowanie i czucie, ale uczula. Alternatywą dla alergików jest kauczuk butadieno-nitrylowy, dodatkowo odporniejszy chemicznie. Nie uczula również poliizopren, popularny materiał rękawiczek chirurgicznych. Te z winylu są tanie, ale mało odporne mechanicznie i chemicznie.
W produkcji rękawiczek używa się ceramicznych form w kształcie dłoni. W każdym cyklu są one myte w kąpielach kwasowej i zasadowej, płukane w gorącej wodzie i suszone w piecu. Następnie zanurza się je w roztworze środków wpływających na właściwości rękawiczek i możliwość ich oddzielenia od form. W kolejnym kroku zanurza się je w materiale wykonania, np. w płynnym lateksie. Czas zanurzenia ma wpływ na grubość rękawiczek. Później są one myte w gorącej wodzie z dodatkiem chloru, suszone, utwardzane i zdejmowane z form.
W pewnym zakładzie podczas testów nowych receptur materiałów i procedur produkcyjnych formy w kadziach z chemikaliami i lateksem zanurzali pracownicy. Nie gwarantowało to powtarzalności i długo trwało. Konsekwencją były opóźnienia we wprowadzaniu do produkcji nowych modeli rękawiczek, ludzi zastąpiono więc robotem. Do jego ramienia pracownicy mocują formę. Robot zanurza ją w kolejnych kadziach. Po utwardzeniu rękawiczki są poddawane kontroli jakości. W zależności od jej wyniku modyfikuje się parametry, takie jak czas i kąt zanurzania, które weryfikuje kolejny test. Powtarzalność zapewniana przez robota pozwala szybciej i wiarygodniej sprawdzać wpływ, jaki na wyrób końcowy ma skład materiału i proces jego obróbki. Gdy osiąga się zakładane efekty, produkcja danego modelu rękawiczek uruchamiana jest na masową skalę.
Pakowanie
Na końcu linii produkcyjnych znajduje się zwykle stanowisko pakowania, gdzie gotowe wyroby są umieszczane w opakowaniach jednostkowych i zbiorczych. Przykładem pierwszych są torebki. Do umieszczania w nich produktów służą pakowarki. Zasada ich działania jest następująca – formują rękaw z elastycznego materiału (folii, papieru), który wypełniają produktem, a następnie zamykają go przez zgrzewanie brzegów. Wyróżnić można pakowarki poziome i pionowe. Drugie zajmują mniej miejsca, dzięki czemu można dostępną przestrzeń wykorzystać efektywniej.
Ich najważniejsze komponenty to: rolka z nawiniętym materiałem opakowania, układ prowadnic, którymi jest on rozwijany i prowadzony do kołnierza formującego torebkę, wsyp, którym podawany jest opakowywany produkt i zgrzewarka. Ostatnia łączy brzegi opakowania. Torebki wytworzone w pionowych pakowarkach typowo mają trzy szwy: biegnący wzdłuż, który powstał przez złączenie brzegów folii, zazwyczaj na zakładkę, dolny, który zamyka spód torby, i górny, uszczelniający ją od góry.
Pakowarki pionowe pakują artykuły spożywcze lite, jak ciastka, sypkie, jak zmielona kawa i mleko w proszku, ziarna czy granulaty oraz produkty półpłynne (ketchup, majonez). Są popularne ze względu na uniwersalność. Łatwo je przestawić na produkcję zgrzewanych torebek różnego rodzaju – ta sama maszyna bez problemu może pakować chipsy w nieprzezroczyste i z obu stron zadrukowane torebki oraz ciastka w opakowania z przezroczystym wierzchem. Poza tym są szybkie.
Case study – Roboty w pakowaniu gipsu dentystycznego
Producent gipsu do wykonywania odcisków i modeli dentystycznych uzupełnił linię jego produkcji o robota paletyzującego. W związku z warunkami na tym stanowisku konieczna była modyfikacja konstrukcji silników w jego nadgarstku w celu zwiększenia ich ochrony przed wnikaniem pyłów. Wymagany był też niestandardowy chwytak – na potrzeby tej aplikacji opracowano wielofunkcyjne narzędzie do podnoszenia worków z gipsem, ich układania i dociskania w opakowaniu zbiorczym.
Na stanowisko paletyzacji opakowania jednostkowe są transportowane na przenośnikach z linii pakowania gipsu w worki, po 20 kg każdy. Równocześnie z drugiej linii, której częścią jest maszyna do składania pudełek, docierają kartonowe opakowania zbiorcze. Robot wkłada do nich worki z gipsem. Aby zapobiec ich przemieszczaniu się w czasie transportu, odpowiednio je układa i ściska. Następnie kartony są zaklejane.
Dzięki dużemu udźwigowi i krótkiemu czasowi cyklu robota wydajność paletyzacji znacząco wzrosła, do około 120 kartonów na godzinę. Pozwoliło to na zaspokojenie popytu w ramach dwuzmianowego systemu pracy, zamiast trzech zmian wcześniej, i odciążenie personelu.
Sterowanie wsadowe i czujniki
Ważną rolę w tytułowych branżach odgrywa kontrola jakości surowców, półproduktów i wyrobów gotowych. W obrębie linii technologicznych są też zbierane dane wejściowe systemów sterowania m.in. robotami, napędami przenośników, nalewarek i innych maszyn specjalistycznych oraz procesami wsadowymi.
Te ostatnie przebiegają przez określony czas, typowo w jednym urządzeniu, zgodnie z ustaloną sekwencją kroków. Receptura zakłada zwykle załadowanie surowców do zbiornika (kotła, reaktora, mieszalnika), a następnie ich przetwarzanie w kontrolowanych warunkach (temperaturze, ciśnieniu). Przykładem jest fermentacja. Sterowanie procesami wsadowymi wymaga uwzględnienia wielu czynników i synchronizacji wielu urządzeń (dozowników, regulatorów). Błędy są kosztowne, ponieważ procesów tych zwykle nie można zatrzymać, by odzyskać surowce.
Linie produkcyjne żywności i leków stanowią też nagromadzenie czujników. Są to np. laserowe sensory odległości. Wykrywają one obecność obiektów na taśmie (np. butelek na tabletki), zliczają je, kontrolują ich położenie (np. wkładek w strzykawkach) i mierzą wielkości geometryczne (przykładowo, średnicę bel z folią do pokrywania spodów blistrów). Inny przykład to sensory kontrastu, montowane m.in. na linii zgrzewania brzegów tubek z maściami, gdzie określają współrzędne znaczników na tych opakowaniach. Dane te są przesyłane do sterownika zgrzewarki, aby uniknąć zniszczenia nadruku na tubie w pobliżu zgrzewu.
Jeśli chodzi o zmienne procesowe, preferowane są ich pomiary inline, zapewniające wyniki w czasie rzeczywistym, zamiast okresowego pobierania próbek i ich testowania w laboratoriach. Są tańsze, szybsze, nie powodują przestojów, pozwalają na badanie całej partii oraz reakcję na bieżąco w razie odchyleń. Inline mierzone są: pH, przewodność cieczy, zawartość rozpuszczonego tlenu, stężenie chloru, temperatura, natężenie przepływu. Monitoruje się także parametry, od których zależą cechy produktu, takie jak zawartość cukrów w sokach, która ma wpływ na ich smak. Do jej badania używa się refraktometrów, które mierzą współczynnik załamania światła zależny od typu i stężenia substancji rozpuszczonych w danym roztworze.
Znaczenie higieny
Jak pisaliśmy na wstępie, w wytwarzaniu żywności, leków i wyrobów medycznych kluczowe znaczenie ma higiena. Jeżeli nie jest zapewniona, rośnie prawdopodobieństwo skażenia i/lub zanieczyszczenia produktów, co zagraża zdrowiu i życiu konsumentów. Dlatego dbałość o higienę nie zależy wyłącznie od dobrej woli producenta, ale jest mu narzucana odgórnie.
Przykładowo, w produkcji żywności obowiązkowe jest wdrażanie systemu HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point), czyli analizy zagrożeń i krytycznych punktów kontroli. Jego głównym założeniem jest detekcja i usuwanie zagrożeń w miejscu i czasie ich powstania. W tym celu należy przeanalizować proces produkcyjny, określając dla każdego jego etapu prawdopodobne zagrożenia różnego rodzaju (chemiczne, biologiczne). Na tej podstawie można wskazać newralgiczne miejsca, urządzenia, surowce oraz zadania produkcyjne, wymagające większej uwagi i ściślejszej kontroli. Wprowadzenie systemu HACCP poprzedza wdrożenie zasad GMP (Good Manufacturing Practice) i GHP (Good Hygiene Practice).
Podejście kompleksowe
Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń i zarazków – a w konsekwencji ich przeniknięciu do produktu, należy zastosować podejście kompleksowe. Dotyczy to realizacji zadania i warunków, w jakich się odbywa, czyli przystosowania pomieszczeń, konstrukcji sprzętu oraz procedur jego mycia i dezynfekcji, jak też higieny personelu. Wszystkie te aspekty są jednakowo ważne, a zaniedbanie jakiegokolwiek może zniweczyć pozostałe wysiłki.
Poziom higieny znacząco podnosi automatyzacja zadań wykonywanych przez ludzi. Powinny one być też realizowane w dobrze wentylowanych i/lub klimatyzowanych pomieszczeniach. Wymagane są specjalne rozwiązania budowlane. Przykładowo, ściany powinny być gładkie i łatwo zmywalne. Podłogi nie mogą nasiąkać wodą i muszą być dość gładkie, by można było je łatwo umyć, a zarazem nieśliskie, dla bezpieczeństwa personelu. Odpływy podłogowe, jeśli są używane, muszą być zamknięte łatwo zdejmowanymi nierdzewnymi kratkami. Otwory wentylacyjne powinny być zabezpieczone przed ptakami i owadami.
Pracowników trzeba szkolić, żeby wyzbyli się nawyków, przez które mogą zanieczyścić surowce i wyroby, wykonując pewne czynności mimowolnie i nieświadomie. Muszą np. pamiętać, by w razie zauważenia zabrudzeń na produkcie nie przecierać ich ani nie zmywać, gdyż zanieczyszczą wówczas większą powierzchnię. W zamian należy brudny kawałek odciąć. Poza tym nie wolno odruchowo kłaść produktu, który upadł na podłogę, na stoły robocze ani wkładać do maszyn.
Podstawowe zalecenie higieniczne dla personelu to mycie i dezynfekcja rąk przed rozpoczęciem pracy i podczas wykonywania zadań tak często, jak to możliwe, albo wymuszone specyfiką danej czynności. Pracownicy zakładów spożywczych i farmaceutycznych mający styczność z materiałem produkcyjnym muszą nosić odzież ochronną. Jej stan i czystość trzeba regularnie kontrolować.
Higieniczny sprzęt i wyposażenie
Źródłem niebezpiecznych zarazków może też być sprzęt produkcyjny. Aby temu zapobiec, trzeba go właściwie zaprojektować i wykonać. Przede wszystkim musi istnieć możliwość jego skutecznego czyszczenia. Powinien być zatem skonstruowany w taki sposób, żeby łatwo dawał się rozmontować, jeżeli wymaga tego jego umycie. Nie powinien wchłaniać bakterii, umożliwiać im przeżycia ani namnażania się ich na nim oraz na produkcie.
W tym celu powierzchnie wygładza się i unika w nich wszelkich zagłębień, w których bakterie mogłyby się rozwijać i/albo przetrwać proces czyszczenia. Im więcej wypukłych i pochylonych powierzchni, które ułatwią spływanie płynów i zaokrąglonych rogów, tym dla higieny produkcji lepiej. Ponadto zamiast pustych w środku preferuje się wypełnione elementy konstrukcyjne. Lepiej, gdy tabliczki, wsporniki i zaślepki, są do podłoża przymocowane trwale, a nie tylko przykręcone śrubami. Zamiast łączenia elementów lepsze są konstrukcje jednolite (bezspawowe). Przykład to korpusy zaworów higienicznych wykonywane z jednego odlewu.
Materiały konstrukcyjne muszą być nietoksyczne dla produktu i odporne na chemikalia używane do ich mycia oraz sposób, w jaki będzie ono wykonywane. Powinny być łatwo zmywalne, odporne na korozję oraz wytrzymałe mechanicznie. Odporna na korodowanie jest stal nierdzewna. Z niej na potrzeby np. zakładów spożywczych wykonuje się m.in. stoły robocze, ostrza noży, części specjalistycznych maszyn, które mają styczność z żywnością. Ponadto niezalecane są elementy malowane, gdyż powłoki farby mogą z czasem pękać i się kruszyć, przykładowo podczas ich szorowania. W przenośnikach nie należy z kolei korzystać z taśm wykonanych z materiałów, gdyż tkaniny łatwo wchłaniają wilgoć.
Mycie i dezynfekcja na miejscu
Zadania mycia i dezynfekowania sprzętu produkcyjnego automatyzuje się w ramach procesów CIP (Cleaning In Place) i SIP (Sterilisation In Place). Polegają one na spłukiwaniu wnętrza wyposażenia linii produkcyjnej (głównie zbiorników, rurociągów, pomp) w przerwach pomiędzy kolejnymi jej uruchomieniami, bez konieczności rozmontowywania elementów ani wprowadzania do ich wnętrza urządzeń czyszczących czy wchodzenia do nich (jak w przypadku dużych zbiorników – m.in. mieszalników). W systemach CIP i SIP realizuje się to, wymuszając przepływ środków myjących i odkażających przez te urządzenia i obiekty, a potem ich powrót do głównego zasobnika.
Sekwencja czyszczenia jest różna w zależności od typu instalacji, można w niej jednak wyróżnić kilka stałych etapów. Pierwszy to z reguły wstępne płukanie wodą. Potem przez obiekt przepływa roztwór zasadowy, który rozkłada białka i tłuszcze. Jeżeli jest to wymagane, następnym etapem staje się płukanie obiektu roztworem kwasowym. Neutralizuje on resztki roztworu zasadowego, zapobiega tworzeniu się osadów, przyspiesza wysychanie i hamuje rozwój bakterii. Wcześniej konieczne może być dodatkowe spłukanie zbiornika zimną/gorącą wodą. Zazwyczaj przed uruchomieniem produkcji przeprowadza się jeszcze dezynfekcję.
Mycie i sterylizacja na miejscu mają wiele zalet. Przede wszystkim skracają przestój linii technologicznej o czas potrzebny do rozłożenia jej wyposażenia na części, a potem jego złożenie. Ponadto personel ma ograniczony kontakt z substancjami dla niego niebezpiecznymi. Dokładniej i w sposób powtarzalny można w ten sposób wyczyścić i zdezynfekować miejsca trudno dostępne. Zaletą metod CIP/SIP jest też lepsza kontrola zużycia wody i środków myjących/odkażających. Te ostatnie można dodatkowo poddać recyklingowi. Zmniejsza to koszty.
Co wyróżnia cleanroomy?
W branży farmaceutycznej opisane rozwiązania bywają niewystarczające, żeby uzyskać wymagany stopień czystości. Produkcję przenosi się wówczas do specjalnych pomieszczeń, cleanroomów, w których poziom zanieczyszczeń jest bardzo niski. Stan ten osiąga się i utrzymuje dzięki konstrukcji, materiałom, organizacji przestrzeni, zasadom użytkowania oraz warunkom otoczenia (temperatura, wilgotność, przepływ powietrza, ciśnienie), które ograniczają wprowadzanie, generowanie oraz zatrzymywanie się cząstek zanieczyszczeń. Do cleanroomów zalicza się pomieszczenia o różnych rozmiarach: hale produkcyjne, pojedyncze sale, mobilne konstrukcje pozwalające wydzielić strefę czystą w obrębie pomieszczenia, a nawet sterylne stanowiska pracy w postaci obudowanego stołu.
Strefy czyste są projektowane tak, aby wyeliminować zanieczyszczenia z różnych źródeł. Jednym z nich jest sam budynek. Standard wykonania pomieszczeń czystych musi być wyższy od przeciętnego – ściany i sufity muszą mieć gładkie wykończenie, które pozwoli na ich skuteczne czyszczenie i nie mogą łatwo pękać ani uwalniać cząstek. Źródłem niepożądanych cząstek jest również personel. W związku z tym pracownicy cleanroomów zobowiązani są nosić specjalne ubrania, które zakładają w przedsionku, z którego do strefy czystej przechodzą przez śluzę powietrzną, wyposażoną często w prysznic powietrzny. Rękawiczki, maski na twarz i nakrycia głowy stanowią standard w prawie każdym pomieszczeniu czystym. Używane są tam również fartuchy, zaś w cleanroomach o najwyższej klasie czystości – specjalne kombinezony.
Czystość powietrza zapewnia jego filtracja i wymiana. Strefy czyste wyróżnia duże zapotrzebowanie na powietrze – typowo konwencjonalne systemy klimatyzacji wymagają ok. 4-8 wymian powietrza na godzinę, natomiast pomieszczenia czyste – od 20 do nawet 90 takich cykli. Skuteczną filtrację powietrza w cleanroomach zapewniają z kolei filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter).
Między sąsiadującymi ze sobą pomieszczeniami zwykłymi a strefami czystymi należy utrzymywać różnicę ciśnień. W cleanroomie ciśnienie powinno być zawsze wyższe, aby zapobiec przenikaniu zanieczyszczeń przez nieszczelności oraz podczas otwierania i zamykania drzwi. Hermetyczność ich konstrukcji jest kluczowa dla uniknięcia nadmiernego zużycia powietrza w celu utrzymania takich warunków ciśnienia.
Monika Jaworowska
