Tecnología de pesaje aplicada al llenado automático con líquidos

En muchas industrias, los procesos de envasado están automatizados. Existen numerosos métodos para colocar exactamente la cantidad correcta de un producto en su envase al final del proceso: los artículos por piezas se clasifican, los productos a granel se dosifican y líquidos se embotellan. En todos estos procesos, el desafío es siempre el mismo: el envase debe contener la cantidad de producto declarada. Por ejemplo, si las botellas se llenan demasiado poco, se incumple la Directiva de la UE sobre productos preenvasados 76/211/CEE (y también la ley alemana sobre productos preenvasados (§22 FPackV). Estas leyes estipulan cuánto se puede desviar por defecto un lote de producción con respecto a la cantidad mínima de llenado especificada. Los casos de “mala praxis” pueden acarrear sanciones, que pueden llegar incluso al cierre de la planta.

Para cubrirse ante estos riesgos, durante la producción los fabricantes superan con frecuencia la cantidad mínima del envase. Ahora bien, ese sobrellenado de seguridad es costoso. Hemos estudiado el caso de un productor de leche chino que llena en torno a 100.000 botellas de leche de coco al día. Consiguió reducir en unos pocos gramos el sobrellenado de cada botella individual mediante el uso de tecnología de pesaje avanzada... y se ahorró varios millones de euros al año. No cabe duda de que los fabricantes de plantas embotelladoras completas deberían ofrecer sistemas capaces de medir las cantidades de llenado con alta precisión, reduciendo el sobrellenado al mínimo absoluto.

Cuatro métodos para medir la cantidad de llenado de líquidos

Se han desarrollado distintos métodos para medir cantidades de llenado pensados especialmente para líquidos. No todas las técnicas valen para cualquier líquido y, además, presentan diferencias notables en cuanto a precisión. No obstante, todos los procesos de producción tienen algunas cosas en común: los líquidos nunca circulan a una presión uniforme por las tuberías hasta la máquina embotelladora. La densidad puede fluctuar debido a la presencia de burbujas de aire en el líquido y cambios en la temperatura o la receta. En otras palabras: la cantidad de llenado correcta no se puede determinar basándose solo en el tiempo de apertura de una válvula.

Hay cuatro métodos comunes para medir las cantidades de llenado, con diferencias en coste, exactitud, velocidad e higiene. No todos los métodos son adecuados para todos los líquidos, ya que las bebidas requieren una especial higiene mientras que los cosméticos —muy valiosos— requieren una especial precisión. Y el aceite de motor tiene características de flujo distintas de las del agua mineral, por ejemplo. Este artículo habla de cuatro métodos:

  1. Medición gravimétrica con una célula de carga

  2. Medición con un sensor de nivel

  3. Medición de volumen

  4. Medición de flujo másico

Método 1: llenado gravimétrico con una célula de carga

En el método de medición gravimétrico —o llenado por peso—, una célula de carga digital o analógica mide el peso del envase vacío y del producto con el que se va llenando. Para ello, la célula de carga utiliza galgas extensométricas, que detectan con alta precisión los cambios en el peso durante el proceso de llenado. El principio de funcionamiento de las galgas extensométricas se explica con más detalle en nuestro artículo "¿Cómo funciona en realidad una célula de carga basada en galgas extensométricas?”. La ventaja de las células de carga digitales radica en que se comunican muy fácilmente con un PLC a través de entradas y salidas digitales. No obstante, las células de carga analógicas también se pueden digitalizar de forma rápida y sencilla mediante un amplificador PAD.

Para llenar una botella, la máquina de llenado primero la coloca sobre una plataforma o la suspende del cuello con una horquilla. En ese momento, la máquina pesa la botella vacía. Mientras la máquina llena la botella, la célula de carga va midiendo el cambio total en el peso. Cuando se alcanza el peso total predefinido, el proceso de llenado se corta automáticamente y la botella se dirige a la estación de taponado. En una llenadora rotativa que tenga de 20 a 80 cabezales de llenado, este proceso requiere de 5 a 8 segundos para una botella típica de 1 litro. Aparte de ser altamente preciso, el llenado por peso ofrece otras grandes ventajas.

Células de carga digitales instaladas en una llenadora rotativa.

Ventajas del llenado por peso

  • La célula de carga pesa cada botella antes de empezar a llenarla. Las botellas rotas tienen un peso inferior al mínimo permitido, de modo que se pueden detectar con facilidad y retirarse inmediatamente
  • Si una botella supera el peso permitido, puede deberse a la presencia de residuos de producto de limpieza o de desinfectante. Así que la máquina de llenado también las retira de inmediato, evitando cualquier riesgo para la salud.
  • Si el peso total de una botella no se incrementa a la velocidad estipulada durante el llenado, la causa puede ser una fuga por la que se escapa el líquido. En tal caso, la máquina detiene el proceso de llenado para evitar contaminación causada por el producto. No hay que perder de vista que los procesos de limpieza son costosos y consumen tiempo, así que la célula de carga ayuda a mantener una alta disponibilidad del sistema.

Las células de carga son fáciles de programar y calibrar

El llenado por peso es un proceso altamente preciso, que permite llenar con precisión de un gramo el contenido que se declara en el envase. Por otro lado, las células de carga son muy fáciles de calibrar con pesos de contraste, de forma muy similar a lo que se hace con una báscula de cocina. De este modo se garantiza que la botella contenga realmente los 1000 gramos que se indican en la etiqueta. La tecnología digital no solo beneficia a los productores, sino que también ofrece ventajas a los fabricantes de maquinaria, ya que programar un algoritmo de llenado en el sistema de control de la máquina es todo un reto. Dar con la proporción correcta entre velocidad y precisión es una operación extremadamente compleja, en la que entran en juego los filtros, la tecnología de control, los tiempos de oscilación y los tiempos de reacción. Las células de carga digitales de HBM simplifican considerablemente el proceso de configuración, porque incluyen un algoritmo de llenado integrado, que es el resultado de décadas de experiencia en llenado gravimétrico. Este algoritmo se puede adaptar con facilidad, utilizando el software de configuración gratuito PanelX. Las células de carga pueden trabajar como unidades totalmente autónomas. comunicarse con el sistema de control de la máquina mediante entradas, salidas o un bus de campo, o suministrar de forma continua al sistema de control valores medidos filtrados, en caso de que la empresa desee utilizar sus propios algoritmos de llenado.

El llenado por peso se adapta particularmente bien a los requisitos de la industria alimentaria, puesto que el sensor no entra en contacto con el producto. Todas las células de carga de HBM se encuentran disponibles con la clase de protección máxima IP68/69K, y soportan la inmersión continua y los lavados a presión. Algunas células de carga, como la PW27, tienen certificación EHEDG para requisitos de higiene especialmente estrictos. Las superficies de contacto de estas células de carga son totalmente redondeadas y están electropulidas, lo cual impide por completo la proliferación de bacterias, como las que aparecen en las proteínas o el azúcar. Por ello, se pueden aplicar a la última tendencia en envasado: el llenado aséptico en frío sin pasteurización y sin adición de conservantes.

Célula de carga digital Fit5A de HBM

Método 2: medición con un sensor de nivel

El método del sensor de nivel se basa en el nivel de líquido en la botella. En este caso, se inserta un sensor de nivel por la abertura de la botella, y se llena esta hasta que el líquido alcanza el sensor. Este proceso solo es aplicable a productos conductores de la electricidad; es decir, líquidos con un contenido mínimo de sal. Los aceites vegetales y minerales, por ejemplo, contienen muy poca sal. El método del sensor de nivel es la técnica de medida menos precisa y con mayor dispersión de resultados a la hora de determinar la cantidad de llenado. El principal motivo de ello es que existen fluctuaciones notables en el volumen de los contenedores, sobre todo en el caso de las botellas de vidrio. En consecuencia, los sensores de nivel se emplean casi exclusivamente con productos baratos y conductores. Otra desventaja importante radica en que el sensor entra en contacto con el producto. Por tanto, transmite una pequeña cantidad de producto de una botella a otra, lo cual lo hace inadecuado para aplicaciones de envasado higiénico.

La técnica del sensor de nivel resulta ideal para el llenado isobárico; es decir, cuando se mantienen unas condiciones idénticas de presión en los conductos y en la botella. Por ejemplo, 3 bar en el caso de las embotelladoras de cerveza. Los líquidos carbonatados requieren este tipo de entornos porque, de lo contrario, perderían el dióxido de carbono. Por otro lado, este método permite producir niveles de llenado visualmente idénticos cuando se embotellan cajas de bebidas, lo cual es un criterio de compra que los consumidores tienen en cuenta, sobre todo en el caso de la cerveza o el agua mineral.

Método 3: medición de volumen

La medición de volumen detecta la cantidad de líquido que fluye a través de una válvula de llenado. En este caso, el volumen de líquido con el que se llena la botella se mide mediante una técnica magnético-inductiva. Un campo magnético produce una separación de los iones presentes en el líquido, induciendo una tensión eléctrica. Esa tensión se mide con unos electrodos y, a partir de las lecturas, se puede calcular el caudal volumétrico. Este procedimiento solo es válido para líquidos conductores. Además, la máquina de llenado debe calibrarse de forma individual para cada líquido, porque cada producto tiene una composición de iones característica.

Método 4: medición de flujo másico

La medición de flujo másico se basa en el principio de la fuerza de Coriolis. En este caso, el líquido fluye hacia la botella a través de dos conductos vibrantes. La fuerza de Coriolis que actúa sobre el par de conductos genera un desplazamiento de fase entre las vibraciones, a partir del cual se puede calcular la masa de líquido que fluye por los conductos. Este método es aplicable a líquidos no conductores. Sin embargo, resulta extremadamente caro, porque requiere un laborioso proceso de calibración durante la producción de los sensores.

Comparación entre los diferentes métodos de llenado

El método más idóneo en cada caso depende del valor y las propiedades del producto que se desea envasar. No obstante, los distintos métodos varían considerablemente entre sí en cuanto a precisión y velocidad de llenado.

Precisión:

El llenado gravimétrico basado en tecnología de pesaje es mucho más preciso que cualquier otra técnica de medición y llenado. El método del sensor de nivel tiene una desviación típica del 2-5% del peso de llenado (para botellas de vidrio), mientras que en el método volumétrico la desviación es del 0,5-1%. Con el método de flujo másico, lo máximo que puede conseguirse es un 0,2%. El llenado con tecnología de pesaje permite alcanzar desviaciones típica en torno al 0,1% del peso de llenado.

Velocidad de llenado:

Los distintos métodos de medición ofrecen también diferentes velocidades de llenado. Con un sensor de nivel, se necesitan de 2 a 4 segundos para llenar una botella. Con tecnología de pesaje y medidas de flujo másico, se necesitan en torno a 5 segundos para llenar una botella. El método volumétrico es el que presenta la mayor fluctuación en la velocidad de llenado, con tiempos variables entre 2 y 5 segundos.

Muchas propiedades de los productos hacen de la gravimetría el método de llenado ideal

El llenado por peso es un procedimiento compatible con la inmensa mayoría de los líquidos, con independencia de su conductividad, contenido en sólidos o velocidad de caudal. Asimismo, permite llenar envases con una precisión extrema. De este modo, se puede reducir al mínimo el sobrellenado de seguridad —que es costoso— con el consiguiente ahorro, que puede ser considerable en el caso de productos de alta calidad o valor, como cosméticos o aceites. Si pensamos en productos difíciles de embotellar, como los que tienen alta viscosidad o alto contenido en sólidos, la medición gravimétrica con una célula de carga proporciona resultados con una certidumbre mucho mayor que cualquier otro método de medición.

Los fabricantes que deseen dar respuesta a la demanda creciente de llenado aséptico solo tienen en realidad dos alternativas: la medición del flujo másico o el llenado gravimétrico por peso. Si hacemos una comparación directa entre estos dos métodos, el principio gravimétrico presenta ventajas decisivas: por su mayor higiene, es la forma más sencilla de conseguir un llenado aséptico en frío sin pasteurización. Y no solo eso, también es mucho más barato y más preciso que la medición del caudal másico. Por todo ello, el llenado gravimétrico por peso es el método ideal para que los fabricantes de plantas embotelladoras desarrollen sistemas de llenado competitivos.