CAMERA CLIMATICA: COME FUNZIONA E QUALE TIPO SCEGLIERE

Quando si deve scegliere una Camera climatica per fare dei test in laboratorio o in produzione, al di là dei vari marchi importanti come Aralab,  Binder, Weiss-Technik, Angelantoni o CTS, il mercato propone diverse soluzioni con prezzi anche molto differenti e con diverse tecnologie. In questo articolo vi aiuteremo a comprendere quali sono gli aspetti più importanti per scegliere consapevolmente una camera climatica.

Si definisce “camera climatica” un’apparecchiatura che controlla almeno due parametri:

• temperatura
• umidità

in un range ben definito per creare condizioni di Temperatura e Umidità stabili e controllate.  In alcuni casi, come la crescita delle piante, come vedremo più avanti, si controlla anche il parametro della “Luce”.
Spesso si confonde la camera climatica con la “Camera termica” che genera e regola solamente il parametro di temperatura. Nei vari documenti commerciali descrittivi sulle camere climatiche le informazioni riportate non sono sempre chiare e talvolta nella documentazione non vengono dichiarate alcune caratteristiche importanti come il tipo di generatore di umidità utilizzato.

Ma andiamo con ordine e cerchiamo di capire come funziona un camera climatica.

Innanzi tutto la camera climatica è composta da un vano interno in acciaio inox tipicamente in AISI304 (meglio se AISI316) all’interno del quale, tramite un controllore a microprocessore, viene generato un clima a temperatura e umidità controllati. In alcuni casi dove il range di temperatura non supera gli 80°C Il cuore dell’apparecchiatura e composto da due sistemi che lavorano in combinazione tra di loro:

1. Il sistema di generazione della temperatura
2. Il generatore di vapore interno per gestire e regolare l’umidità

Nel sistema per controllare la temperatura ci sono delle resistenze di riscaldamento, un sensore di temperatura (normalmente una PT100) e un regolatore a microprocessore nel quale viene impostata la temperatura di SET POINT. La maggior parte dei modelli hanno la necessità di lavorare anche sotto la temperatura ambiente, e per questo viene utilizzato, in combinazione con il sistema di riscaldamento, un gruppo frigorifero che in alcuni casi arriva anche a -70°C, anch’esso controllato dal regolatore di temperatura. Tale gruppo frigorifero può essere di tipo tradizionale a compressore, molto più efficiente ma più rumoroso, oppure un sistema  di raffreddamento a celle di Peltier, con il quale tuttavia non si può scendere a temperature molto basse. Questi ultimi sono composti da speciali celle a semiconduttore sfruttate nel loro “lato freddo” che non hanno componenti meccaniche in movimento, se non le ventole per raffreddare il “lato caldo” delle stesse celle Peltier. Alcuni costruttori sfruttano entrambi i lati “caldo” e “freddo”, con il cambio di polarità delle celle di Peltier, per risparmiare nei costi di produzione (non ci sono le resistenze di riscaldamento). Questo ha la controindicazione di ridurre la vita delle celle.

CAMERA CLIMATICA: COME FUNZIONA E QUALE TIPO SCEGLIERE

Quando si deve scegliere una Camera climatica per fare dei test in laboratorio o in produzione, al di là dei vari marchi importanti come Aralab,  Binder, Weiss-Technik, Angelantoni o CTS, il mercato propone diverse soluzioni con prezzi anche molto differenti e con diverse tecnologie. In questo articolo vi aiuteremo a comprendere quali sono gli aspetti più importanti per scegliere consapevolmente una camera climatica.

Si definisce “camera climatica” un’apparecchiatura che controlla almeno due parametri:

• temperatura
• umidità

in range ben definitio per creare condizioni di Temperatura e Umidità stabili e controllate.  In alcuni casi, come la crescita delle piante, come vedremo più avanti, si controlla anche il parametro della “Luce”.
Spesso si confonde la camera climatica con la “Camera termica” che genera e regola solamente il parametro di temperatura. Nei vari depliant descrittivi sulle camere climatiche le informazioni riportate non sono sempre chiare e talvolta nella documentazione non vengono dichiarate alcune caratteristiche importanti come il tipo di generatore di umidità utilizzato.

Ma andiamo con ordine e cerchiamo di capire come funziona un camera climatica.

Innanzi tutto la camera climatica è composta da un vano interno in acciaio inox AISI304 (meglio se AISI316) all’interno del quale, tramite un controllore a microprocessore, viene generato un clima a temperatura e umidità controllati. Il cuore dell’apparecchiatura e composto da due sistemi che lavorano in combinazione tra di loro:

1. Il sistema di generazione della temperatura
2. Il generatore di vapore interno per gestire e regolare l’umidità

Nel sistema per controllare la temperatura ci sono delle resistenze di riscaldamento, un sensore di temperatura (normalmente una PT100) e un regolatore a microprocessore nel quale viene impostata la temperatura di SET POINT. La maggior parte dei modelli hanno la necessità di lavorare anche sotto la temperatura ambiente, e per questo viene utilizzato, in combinazione con il sistema di riscaldamento, un gruppo frigorifero che in alcuni casi arriva anche a -70°C, anch’esso controllato dal regolatore di temperatura. Tale gruppo frigorifero può essere di tipo tradizionale a compressore, molto più efficiente ma più rumoroso, oppure un sistema  di raffreddamento a celle di Peltier, con il quale tuttavia non si può scendere a temperature molto basse. Questi ultimi sono composti da speciali celle a semiconduttore sfruttate nel loro “lato freddo” che non hanno componenti meccaniche in movimento, se non le ventole per raffreddare il “lato caldo” delle stesse celle Peltier. Alcuni costruttori sfruttano entrambi i lati “caldo” e “freddo”, con il cambio di polarità delle celle di Peltier, per risparmiare nei costi di produzione (non ci sono le resistenze di riscaldamento). Questo ha la controindicazione di ridurre la vita delle celle.

GENERATORE DI UMIDITA’

Il secondo sistema presente in una camera climatica è il generatore di Umidità. Per poter generare il vapore è necessaria alimentarlo con acqua tramite delle taniche esterne, oppure con alimentazione diretta con l’acqua di rete. L’acqua utilizzata deve essere demineralizzata, per evitare le formazioni di calcare all’interno del generatore di umidità con un demineralizzatore, nel caso di collegamento diretto all’acqua di rete.

La generazione si può ottenere in diversi modi, in funzione della velocità che si vuole avere nel raggiungere un determinato setpoint:

1. spesso viene usata una caldaietta controllata in temperatura oltre i 100°C, dentro la quale viene erogata l’acqua demineralizzata che a contatto con la superficie evapora generando il vapore
2. Un altro metodo molto usato è la caldaia a “vaso aperto” (talvolta si vede anche la vasca interna nella parte bassa della camera), ha qualche piccola controindicazione nel caso in cui il setpoint si avvicina al punto di ebollizione dell’acqua, che tende a far evaporare l’acqua della vasca stessa. Alcuni costruttori, per evitare questa problematica, abbassano la temperatura della vasca con il sistema di raffreddamento o fanno fuoriuscire l’acqua dalla vasca.
3. altri costruttori, adottano la tecnologia della caldaia in pressione, dove l’acqua viene mantenuta ad una temperatura vicina al punto di ebollizione dell’acqua. Quando è necessario il vapore, si aumenta la temperatura e lo si riesce a generare velocemente.
4. per la generazione del vapore viene anche usata la tecnologia a ultrasuoni, che è comunque molto valida e genera un vapore acqueo “freddo” attraverso un diaframma che vibra a frequenze ultrasoniche e produce goccioline estremamente piccole.

Quando è necessario far scendere l’umidità in funzione del setpoint scelto, all’interno della camera climatica è indispensabile avere un sistema di de-umidificazione gestito dal gruppo frigorifero, il quale attraverso il raffreddamento di una serpentina all’interno della camera fa condensare l’umidità in eccesso abbassandone il valore.
Anche in questo caso il gruppo frigorifero può essere di tipo tradizionale a compressore, oppure a celle di Peltier. In camere climatiche più evolute l’evaporatore interno di de-umidificazione è separato da quello di raffreddamento, per poter gestire meglio il controllo dell’umidità.

Le camere climatiche per regolare l’umidità hanno necessità di un sensore di umidità di precisione, chiamato igrometro o sensore igrometrico. Ci sono due tipi di sensori utilizzati:

• SENSORE CAPACITIVO
  Nella maggior parte delle camere climatiche di nuova generazione si è diffuso l’utilizzo questo tipo di sensore, in quanto ha un segnale normalizzato in corrente, è molto semplice da utilizzare e richiede poca manutenzione.
• SENSORE PSICROMETRICO
  E’ il sensore alternativo a quello capacitivo e viene usato in caso di eventuali vapori aggressivi generati dai campioni in test, oppure per alti valori di umidità prossimi al 100%.
  Si compone da due sensori di temperatura di precisione PT100, uno dei quali definito a “Bulbo umido”, viene tenuto bagnato da una garza, mentre l’altro sensore chiamato a “Bulbo secco”, misura la temperatura dell’aria. La differenza tra le due temperature determina la misura dell’umidità attraverso dei diagrammi psicrometrici, basati sull’evaporazione dell’acqua che sottrae calore e, abbassa la temperatura del Bulbo umido in modo inversamente proporzionale a quella del bulbo secco.

GRAFICO TEMPERATURA UMIDITA’

Avrete spesso notato che una Camera Climatica, nelle sue caratteristiche tecniche, ha un grafico che indica le zone di lavoro di Temperatura e Umidità. Questi diagrammi indicano il range di funzionamento dell’umidità all’interno di un intervallo di temperatura. In taluni casi vengono indicate delle zone in cui è possibile controllare l’umidità, ma con eventuali problemi di condensa all’interno della camera (zona grigia dell’esempio sottostante).

In questo esempio, il diagramma di destra indica inoltre che la camera climatica è conforme alla direttiva ICH Q1A per test di lunga durata, accelerati e di stress test in ambito farmaceutico.

C’è ancora una considerazione da fare su questi grafici, relativamente al funzionamento dell’umidità della camera climatica sotto i 10 °C e sopra i 70°C. Nonostante il range della temperatura vada da 0°C a 80°C, come si evince dai diagrammi, la camera climatica riesce a regolare correttamente l’umidità solamente tra 10°C e 70°C.

Il display indicherà sempre e comunque il valore di umidità corretto, ma che non è possibile regolare al di fuori del campo indicato nel diagramma. Questo funzionamento vale anche per le camere climatiche che hanno un range che scende sotto 0°C.

CAMERA CLIMATICA CON ILLUMINAZIONE

Alcune camere climatiche molto specifiche hanno anche il controllo dell’illuminazione all’interno della camera. Ne esistono di due tipi:

1. Camere climatiche per test di fotostabilità
2. Camere di crescita per le Piante

Le CAMERE PER TEST DI FOTOSTABILITA’ offrono un’illuminazione conforme alla direttiva ICH per test di lunga durata rispondenti agli standard in ambito farmaceutico. La ICH-Q1B, infatti introduce il test di fotostabilità, cioè di resistenza dei prodotti all’esposizione prolungata alla luce solare oltre a quelli di temperatura e umidità (ICH Q1A). Per questo motivo la camera climatica deve essere dotata di lampade fluorescenti o lampade UV, chiamate ICH-lamps, controllate da sensori ottici Light Quantum Control (LQC) per avere affidabili prove di fotostabilità.

Le CAMERE DI CRESCITA hanno invece un dispositivo di illuminazione interno per test di simulazione notte/giorno su colture di piante. Per questo motivo all’intero della camera, sono installate delle lampade Daylight che simulano la luce naturale del giorno, e vengono controllate da speciali programmi che, oltre alla luce, gestiscono anche Temperatura, Umidità. Le camere di crescita hanno lampade a diversi Spettri :

Le lampade più utilizzate sono quelle a Luce diurna (colore 865) per la simulazione della luce naturale del giorno.
Esistono anche delle lampade di Crescita chiamate Fluora® (colore della luce 77) per avere una ottimale crescita delle piante, le lampade chiamate Arabidopsis per migliorare i processi fotobiologici delle piante (gamma dei blu e rosso più accentuati) e le Lampade Black UV per test specifici di crescita delle piante.

COMPENSAZIONE TERMICA

Sapevate che tutte le camere climatiche hanno un parametro termico chiamato in inglese “Heat compensation”?
Questo è sicuramente un parametro meno conosciuto che spesso non viene indicato dai costruttori. ed è rappresentato da un diagramma che indica la capacità della camera climatica a compensare l’eventuale riscaldamento di oggetti messi all’interno, come schede elettroniche, componenti elettromeccanici ecc…

Viene espresso in Watt e, per esempio, il grafico superiore, ci indica che nella camera può essere introdotto un massimo carico riscaldante di 1500W a 0°C.

Quante tipologie di camere climatiche esistono?

Le Camere Climatiche si differenziano inoltre in diverse tipologie:

1. CAMERE CLIMATICHE PER TEST SU MATERIALI

   Sono camere Climatiche per test intensivi su prodotti, che necessitano di un programmatore evoluto per effettuare diversi cicli di temperatura e umidità. Le applicazioni tipiche sono i test di stress sui materiali, di durata della vita del prodotto nei settori  metalmeccanico, dell’industria elettronica, aereonautico e chimico. Rispetto alle camere di stabilità hanno range estesi di temperatura tipicamente da -40°C a + 180°C (ma vanno anche a -70°C) e hanno importanti velocità di riscaldamento e raffreddamento. In diversi casi non è necessario il controllo dell’umidità e si scelgono quindi le “Camere Termiche” con le stesse caratteristiche in temperatura.
                                        
   Camere Climatiche Test materiali                Camere Test Temperatura

2. CAMERE DI STABILITA’

   Sono camere climatiche, oppure camere per soli test di Temperatura e vengono usate per effettuare test di qualità e vita dei prodotti in ambito farmaceutico, alimentare e microbiologico. Non necessitano di un programmatore evoluto, in quando devono essere utilizzate per lunghi periodi agli stessi set point di temperatura e umidità. Tipicamente lavorano in un range tra 0°C e 80°C con un controllo dell’umidità tra il 20% e l’80% UHR.

   
   Camere Climatiche di Stabilità

3. CAMERE EUCAR PER TEST SULLE BATTERIE AL LITIO
   

   Le Camere Climatiche per i diversi test di  fatica, di prestazione, di invecchiamento, di stoccaggio e durata su batterie agli ioni di litio, in accordo con le normative Eucar 4 ed Eucar 6, sono molto più complesse rispetto a quelle tradizionali, in quanto monitorano i gas all’interno di CO, H₂, O₂ e, per evitare eventuali esplosioni o incendi hanno un sistema antincendio con spegnimento a CO2, con strutture e porta di accesso rinforzati.

   
   Camere climatiche Eucar 4 e 6

4. CAMERE DI CRESCITA
   

   Sono camere climatiche, che oltre a controllare i parametri di temperatura e umidità controllano l’intensità della luce, per applicazioni nella “crescita delle piante” o in ambito farmaceutico per soddisfare le normative ICH.  Le prove di fotostabilità vengono effettuate in studi sui principi attivi (API) o i farmaci finiti (FPP) per verificarne l’efficacia nel tempo in particolari condizioni di clima e luce. Queste camere climatiche soddisfano entrambe le direttive Q1A(R2) del 2003 e la Q1B del 1996.
   
   Camere climatiche di Crescita

5. CAMERE PER SHOCK TERMICO
   

   

   Camera Climatica per Shock termico Aralab

   Sono strumenti con doppia camera termica, nella maggior parte dei casi senza il controllo dell’umidità per testare i prodotti in caso di shock termico. Il passaggio del campione dalla camera superiore a quella inferiore e viceversa, può essere manuale o motorizzato

   Camere per shock termici

6. NEBBIE SALINE

   Ci sono inoltre le Nebbie saline, che servono per creare un ambiente “aggressivo” ed effettuare test di corrosione sui materiali, ma diversamente rispetto alle camere climatiche controllano solo la temperatura con vapori saturi salini.

Autore : Guido Gedda – Geass S.r.l