ProChem: Cerrando el círculo entre medición y control

Una medida no es todavía una acción de control

La guía PAT de la FDA describe la tecnología analítica de procesos como un sistema para diseñar, analizar y controlar la fabricación mediante medidas oportunas de atributos críticos de calidad y de rendimiento, realizadas durante el proceso y no después [1]. La palabra clave es controlar: un analizador de infrarrojo cercano que informa de la composición en cada ciclo de medida solo ha producido el primer eslabón de una cadena. ICH Q8(R2) e ICH Q10 definen una estrategia de control como un conjunto planificado de controles, derivado del conocimiento del producto y del proceso, que incluye controles en proceso junto con los métodos asociados y la frecuencia de seguimiento y control [2][3]. En ese marco el analizador es un elemento; las comprobaciones de validez de su resultado, los límites, la acción emprendida y el registro de esa acción son el resto. Este artículo sigue la cadena desde el espectro hasta el actuador y se pregunta qué necesita cada eslabón para ser fiable. El vocabulario procede de la regulación química y farmacéutica, pero la ingeniería es la misma en una fábrica de piensos o en una línea láctea.

Del espectro a un resultado sobre el que se puede actuar

El primer requisito es que el valor que sale del analizador sea válido. ASTM D6122 lo deja claro para los analizadores de infrarrojo multivariantes: debe demostrarse que el espectro de una muestra pertenece a la población utilizada para construir el modelo de calibración, porque la aplicabilidad no puede presuponerse, y un resultado calculado a partir de un espectro atípico no es válido [4]. La práctica distingue además entre verificar que el instrumento funciona correctamente y verificar que el modelo es aplicable a la muestra, y trata ambas cosas como comprobaciones continuas y no como una validación única [4]. Vargas et al. describen cómo se materializa esto en una línea comercial de comprimidos en continuo: una prueba de diagnóstico confirma que realmente hay polvo en la ventana de la sonda cuando se toma un espectro, un modelo PCA comprueba que la mezcla se parece a las mezclas de calibración y solo entonces el modelo PLS informa de una concentración; los tres pasos se integraron en una única plataforma de software que recogía los espectros y aplicaba los modelos en tiempo real, y durante una campaña de 28 horas con 12.633 espectros la comprobación PCA detectó un fallo del equipo que un valor de concentración por sí solo no habría puesto de manifiesto [5].

Kourti sostiene que el valor completo de un analizador en tiempo real aparece cuando su salida se combina con las medidas de proceso ordinarias — temperatura, caudal, presión — en un esquema de seguimiento multivariante, lo que mejora tanto la detección de condiciones anómalas como el conocimiento del proceso [6]. Por tanto, el sistema de control no debería recibir solo un valor de composición, sino también un estado asociado: válido o no y, si no lo es, por qué.

Realimentación, prealimentación y la capa de supervisión

Una vez que existe un resultado válido, la cuestión es qué estructura actúa sobre él. Åström y Murray establecen la distinción básica: la realimentación (feedback) mide la salida y corrige después de que haya aparecido una desviación, lo que la hace robusta frente a la incertidumbre del modelo del proceso, mientras que la prealimentación (feedforward) mide una perturbación y actúa antes de que llegue a la salida, lo que requiere un modelo de cómo se propaga esa perturbación [7]. Seborg et al. tratan ambas como complementarias y describen la combinación habitual, prealimentación a partir de una perturbación aguas arriba medida con un ajuste por realimentación sobre la variable controlada, junto con configuraciones de relación y en cascada [8]. Un analizador NIR en la recepción de materias primas es un sensor de prealimentación para la etapa de mezcla o dosificación aguas abajo; el mismo analizador en la corriente de producto es un sensor de realimentación.

En la práctica el analizador rara vez acciona directamente una válvula. Los textos de control de procesos describen una jerarquía en la que lazos de regulación rápidos en el PLC o el DCS mantienen caudales, niveles y temperaturas, mientras una capa de supervisión más lenta ajusta sus consignas [8]. Un resultado de composición que llega una vez por ciclo de medida, con el tiempo muerto del muestreo y del análisis añadido, pertenece a esa capa exterior: el control en cascada, en el que el lazo del analizador fija la consigna de un lazo interior de caudal, es la disposición natural, y el retardo que introduce debe tenerse en cuenta en el diseño y la sintonía del lazo exterior [8]. Singh et al. muestran, en una simulación de diagrama de flujo de una línea de granulación continua, cómo pueden disponerse lazos PID anidados en esquemas de cascada y de relación para atributos de composición, de gránulo y de comprimido [9]. La guía PAT añade una consecuencia para la operación por lotes: dentro de su marco, el punto final de un proceso es la consecución del atributo de material deseado, no un tiempo fijo [1]. Cómo se transmite el cambio de consigna al controlador y cómo se sintoniza el lazo interior se trata en los artículos complementarios sobre integración con PLC y SCADA y sobre válvulas de dosificación en lazo cerrado.

Límites, alarmas y el resultado no conforme

Comparar un resultado con un límite de especificación es sencillo; decidir qué debe desencadenar esa comparación no lo es. ANSI/ISA-18,2 define una alarma como una indicación audible o visible al operador de un fallo de equipo, una desviación del proceso o una condición anómala que requiere una respuesta oportuna, y exige una filosofía de alarmas documentada con la que se racionaliza cada alarma propuesta: justificada, documentada con su consigna, causa, consecuencia y acción del operador, y después priorizada y clasificada [10]. Seborg et al. sitúan la gestión de alarmas dentro de las capas de protección de una planta y la tratan por separado de la detección de eventos anómalos [8]. Para un analizador, la implicación es que un resultado fuera de especificación, un indicador de espectro no válido y un fallo del instrumento son tres eventos distintos con tres respuestas distintas, y que solo deben convertirse en alarmas los que requieren una acción del operador.

La normativa sobre los ensayos de liberación en tiempo real (RTRT) resulta instructiva incluso fuera del ámbito farmacéutico. La directriz de la EMA establece que, cuando los resultados RTRT no son conformes o tienden a no serlo, debe investigarse el fallo y tomarse la decisión de liberación sobre la base de esa investigación, en lugar de recurrir a los ensayos del producto final; señala también que la estrategia puede basarse en parámetros de proceso, en atributos del producto o en ambos, y debe fundamentarse en la comprensión de cómo se relacionan [11]. De ello se derivan tres prácticas:

• Comprobar antes de actuar. Un resultado solo llega al controlador con un estado de validez adjunto; qué ocurre con un resultado no válido — mantener el último valor bueno o devolver el lazo al operador — se decide y se deja por escrito de antemano [4][5].
• Racionalizar los límites. Los límites de especificación, los límites de control y las consignas de alarma no son el mismo número; cada uno se justifica por separado, y las alarmas siguen la filosofía de ISA-18,2 para que los operadores no se vean desbordados [10].
• Mantener el lazo interior seguro por sí mismo. El lazo de regulación del PLC debe comportarse de forma razonable si la consigna de supervisión deja de actualizarse; esa es precisamente la razón de la estructura por capas [8].

El registro: pista de auditoría y conocimiento

Cada paso de la cadena debe poder reconstruirse a posteriori. La guía de la FDA sobre integridad de datos define una pista de auditoría como un registro electrónico seguro, generado por ordenador y con sello de tiempo, que permite reconstruir el curso de los acontecimientos relativos a la creación, modificación o eliminación de un registro, y subraya que un valor de dato carece de sentido sin sus metadatos — sello de tiempo, usuario, instrumento, unidades, modelo utilizado [12]. Para un lazo gobernado por un analizador, esto significa que el espectro, la versión del modelo, los indicadores de validez, el valor informado, el límite vigente y la consigna enviada se almacenan juntos, y no en sistemas separados que después no puedan enlazarse. ICH Q10 trata la adquisición y el análisis sistemáticos de estos datos de proceso como gestión del conocimiento que alimenta la mejora continua [3], y la guía PAT describe el aprendizaje continuo mediante la recogida de datos a lo largo del ciclo de vida del producto como parte de su marco [1].

Cómo lo aborda USTECH

El software ProChem de USTECH conecta sus analizadores NIR — los equipos en línea ProLine2550 y ProLine17EC — con el PLC o el sistema SCADA de la planta, presenta los resultados en paneles en directo, genera alarmas frente a límites configurados y puede ajustar consignas automáticamente a partir de los valores medidos; los modelos de calibración que ejecuta se construyen en caliX. Qué parámetros pueden sustentar una acción de control, cómo se configuran las comprobaciones de validez y los límites y dónde se sitúa el analizador en la jerarquía de control se determinan en un estudio de viabilidad con sus propias muestras y su propio proceso.