PRECISIONE IN OGNI GOCCIA: LE RIEMPITRICI AUTOMATICHE

I sistemi automatici di riempimento sono un’innovazione che ha permesso di cambiare la velocità di produzione dell’industria moderna, aumentandone la capacità a dismisura, riducendo l’impiego di manodopera per compiti ripetitivi e alienanti, e permettendo una diffusione a livello globale dei prodotti. Queste macchine hanno trasformato il concetto stesso di produzione: si è passati da una sequenza lenta e frammentata, effettuata da diverse persone, ad un processo in linea continua, ad alta produzione oraria ed efficienza, senza errori umani, con un confezionamento sicuro, uniforme e in conformità con gli standard igienici richiesti nel settore di utilizzo.

Cosa sono e per cosa si usano?

Come dice la parola stessa sono macchine pensate per riempire e chiudere contenitori, capaci di garantire un riempimento preciso, ciclico e ripetibile del prodotto, a prescindere dalla forma del contenuto e del contenitore. Si possono impiegare per qualsiasi tipo di prodotto: dal cibo che viene confezionato riempiendo scatole o sacchetti (come ad esempio le scatole di pasta), ai prodotti liquidi di varia natura venduti in bottiglie, barattoli o contenitori pesati (come ad esempio l’acqua, i sughi o i succhi), per creme, polveri e materiali granulari utilizzati nella farmaceutica e, più in generale, in qualsiasi settore produttivo si producano componenti venduti in più pezzi o parti.

Come sono fatte?

Le riempitrici automatiche sono composte da tre sottosistemi:

• Il processo inizia con i contenitori da riempire che raggiungono, grazie ad un nastro trasportatore, la coclea di ingresso, ovvero una specie di imbuto che permette di distanziarli e posizionarli correttamente, solitamente grazie all’utilizzo di una stella di carico.
• Il secondo sottosistema trasporta i contenitori alla stazione di riempimento, dove vengono posizionati sotto l’ugello di riempimento, tipicamente controllato da una valvola o altro meccanismo che regola il flusso del liquido. Il processo di riempimento inizia quando il contenitore è in posizione e l’ugello viene aperto, consentendo al prodotto liquido di fluire. Il contenitore è solitamente tenuto in posizione da un morsetto o altro meccanismo per garantire che rimanga fermo durante il processo. La tecnica di riempimento varia molto in funzione del prodotto utilizzato, nel prossimo capitolo esamineremo nel dettaglio tutte le tecniche più comuni.
• Una volta che il contenitore è stato riempito al volume corretto, l’ugello di riempimento viene chiuso e il tutto viene spostato nella stazione successiva, dove viene sigillato con un tappo o chiusura. Dopo aver applicato il tappo, l’oggetto passa ad una etichettatrice, che stampa le etichette e le applica.

Tecniche di riempimento

Esistono diverse tipologie di macchine riempitrici e si differenziano soprattutto in base al principio fisico di dosaggio utilizzato. Vediamone quindi le principali:

1. A gravità
È una tecnica adatta a liquidi con bassa viscosità e non schiumogeni che sfrutta la pressione idrostatica generata dal dislivello tra serbatoio e contenitore; così facendo il liquido fluisce da uno o più ugelli al contenitore e viene controllato attraverso una valvola meccanica capace di aprirsi e chiudersi a comando. Semplici ed economiche, con bassa complessità meccanica, ma non adatte a fluidi densi o su linee di produzione che richiedano contenitori diversi.

2. A pressione (o isobariche)
Progettate per il riempimento di liquidi schiumosi o gassosi in cui è necessario preservare la CO₂ disciolta. L’interno del contenitore viene pressurizzato con un gas inerte per eguagliare la pressione del serbatoio. Il sistema richiede una fine gestione della pressione differenziale e della velocità di riempimento. Spesso vengono utilizzati anche ugelli anti-goccia e dosatura tuffante per ridurre la creazione di schiuma durante il riempimento del contenitore.

3. A pistone
Progettato per prodotti anche ad alta viscosità come le creme; qui uno o più pistoni aspirano una quantità fissa di prodotto da un serbatoio e lo spingono nel contenitore. Poiché il dosaggio corrisponde esattamente al volume del cilindro, questo sistema garantisce un riempimento volumetrico altamente preciso e ripetibile.

Questa tecnologia utilizza un meccanismo a spostamento positivo, che nelle macchine moderne, grazie all’uso di servomotori, consente di ottenere profili di riempimento con tolleranze eccezionali fino anche al 0,25%.

4. A pompa
Tramite pompe volumetriche (a lobi, peristaltiche, a ingranaggi, centrifughe) si dosa il prodotto. In particolare, nel settore farmaceutico sono molto utilizzate le riempitrici con pompe peristaltiche, ovvero quelle pompe contenenti un tubo che viene compresso da rulli o pattini durante la rotazione, creando il vuoto che aspira il liquido attraverso il tubo stesso. Così facendo il liquido viene a contatto unicamente con il tubo, eliminando così il rischio che la pompa contamini il liquido o viceversa. Sono veloci ed utili per contenitori dove la precisione è importante.

5. Sottovuoto
Usate soprattutto nel settore alimentare, queste aspirano l’aria del contenitore prima del riempimento facilitando il dosaggio e riducendo l’ossidazione. Richiede camere sigillate, pompe per vuoto ad anello liquido o a palette e valvole a tenuta ermetica, con complessità maggiore in termini di manutenzione.

6. A cella di carico
Dette anche riempitrici ponderali, si basano su celle di carico o bilance che pesano il contenitore e il prodotto che viene depositato all’interno per caduta, il riempimento si interrompe quando si raggiunge il target preimpostato. Funziona molto bene con polveri o prodotti pallettizzati. 

Cosa dobbiamo sapere per scegliere?

Per scegliere una riempitrice automatica è necessario sapere cosa vogliamo produrre:

• Prodotto da confezionare: quali sono le sue caratteristiche fisico-chimiche, ovvero il suo stato (liquido, solido, aeriforme), la temperatura, la viscosità etc.
• Tipo di contenitore: forma, dimensioni, materiale, necessità o meno di sigillatura.
• La quantità richiesta e la sua tolleranza: influisce notevolmente sul macchinario da scegliere; infatti se dobbiamo riempire dei sacchi di pellet da 15 kg useremo delle macchine e strumenti diversi rispetto a quelli per riempire delle fiale di medicinali da 0,3 ml. Anche la tolleranza richiesta cambia notevolmente in base al tipo di prodotto da confezionare e al suo costo.
• Produzione oraria: in funzione di ciò si passa da macchinari con riempimento lineare per piccoli e medi volumi, a macchinari con riempimento rotativo per la produzione di massa a ciclo continuo che arrivano anche a 300 contenitori al minuto.
• Standard igienici richiesti: variano notevolmente in funzione del prodotto da confezionare, se per il settore chimico-farmaceutico, alimentare o per altri settori. In base a ciò le macchine possono essere sottoposte a pulizie sporadiche o a sterilizzazioni periodiche dei componenti a contatto con i prodotti secondo quanto prescritto dalle norme igienico-sanitarie.

Nel settore farmaceutico

Come già introdotto, nel settore farmaceutico questi processi sono vincolati da norme igienico-sanitarie stringenti che prevedono, oltre a lavaggi e pulizie frequenti, anche soluzioni progettuali dedicate, come raccordi che permettano una facile sterilizzazione, valvole completamente smontabili, finiture superficiali con rugosità inferiori ai 0,8 µm e sistemi di drenaggio. I contenitori devono essere completamene sterili: flaconi, fiale o simili passano attraverso forni di depirogenazione ad aria calda che li sterilizzano prima di entrare nell’area di riempimento (anch’essa asettica). Gli operatori hanno un accesso limitato all’area, in cui si preferisce che venga gestito tutto tramite robot o stazioni rotanti, in quanto completamente sanificabili in ogni parte. Il dosaggio deve essere preciso e con minima tolleranza, si utilizzano pompe peristalsiche con sensori di controllo del flusso, e sistemi a bottom-up di inserimento dell’ago che riempendo dal basso verso l’alto evitano la formazione di schiuma o microbolle. La parte apicale del contenitore, qualora rimanesse vuota, può essere riempita di gas per stabilizzare il farmaco. Il processo di riempimento termina con la chiusura del contenitore, solitamente applicando un involucro in gomma butilica che funge da tappo a cui poi viene aggiunta una ghiera di alluminio per fissare il tutto. La modalità di chiusura varia a seconda del farmaco e, oltre a garantire il perfetto isolamento dall’ambiente esterno, serve anche a dimostrare al consumatore che il prodotto non abbia subito aperture o manomissioni prima dell’uso.

Infine, prima di impacchettare il prodotto, vengono svolti una serie di controlli: ottici per verificare l’assenza di sostanze estranee, la corretta sigillatura e l’integrità e di pesatura, dove si accerta che il peso rientri nella soglia di tolleranza.

Sfide progettuali

La progettazione di una macchina riempitrice non si limita alla semplice realizzazione di un impianto che, tramite pompe, sposta il contenuto da un serbatoio a un contenitore. Un aspetto cruciale e spesso sottovalutato riguarda la gestione dinamica dei contenitori, soggetti a frequenti cambiamenti per esigenze di marketing o variazioni di formato. Tali modifiche impongono l’integrazione di sistemi di manipolazione e centraggio altamente adattivi, capaci di garantire un riempimento preciso e costante, indipendentemente dalle geometrie o dimensioni del packaging.

Tra le principali sfide ingegneristiche si evidenzia il controllo dello scarto, un parametro che incide significativamente sia sull’efficienza economica che sull’impatto ambientale dell’intera linea produttiva. È quindi fondamentale progettare un sistema che ottimizzi il compromesso tra velocità operativa e portata del fluido. Un bilanciamento non corretto può compromettere le prestazioni globali, in particolare nelle fasi terminali del processo, dove la precisione e la stabilità sono determinanti.

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