Hermeticky uzavřená konstrukce: Aseptická membránová čerpadla zajišťují nejvyšší bezpečnost výroby v potravinářském průmyslu

Protože homogenizéry zařízené po UHT procesu nesmějí kontaminovat potraviny znovu, musí být použity vysokotlaké membránové čerpadla. Při přístavbách je třeba dbát na hygienicky správný návrh a správné instalace, které umožní jejich čištění. (Zdroj: LEWA GmbH)

Homogenizátory s vysokým tlakem se skládají nejen z čerpadla jako z výrobce tlaku, ale také z hydraulického spotřebiče, kterým je takzvaný homogenizační ventil. (Zdroj: LEWA GmbH) / High-pressure homogenizers consist of both a pump acting as a pressure generator and a hydraulic consumer, which is called the homogenization valve. (Source: LEWA GmbH)

Účelem čerpadla je dodávat energii pro disperzi v homogenizačním ventilu, přepravovat dispergovatelné médium a zajišťovat přesné množství průtoku v procesu. (Zdroj: LEWA GmbH)

Homogenizační čerpadla mají tři až šest čerpadlových hlav. Při aseptických procesech jsou homogenizační kroky a rozprašovací věže vybaveny hermeticky uzavřenými procesními membránovými čerpadly. Jejich konstrukce se vyznačuje tím, že fungují bez dynamických těsnění. (Zdroj: LEWA GmbH)

Procesní membránové čerpadla se vyznačují robustní monoblokovou konstrukcí, vysokou plynulostí chodu díky integrovanému šnekovému převodu s vysokým hydraulickým výkonem a průtoky nezávislými na tlaku při výtlaku. (Zdroj: LEWA GmbH) / Procesní membránové čerpadla se vyznačují robustní monoblokovou konstrukcí, vysokou plynulostí chodu díky integrovanému šnekovému převodu s vysokým hydraulickým výkonem a průtoky, které jsou nezávislé na výtlakovém tlaku. (Zdroj: LEWA GmbH)

Vaší velkou výhodou při homogenizaci je, že membránové čerpadla jsou konstrukčně navržena pro spolehlivý nepřetržitý provoz 24/7 bez podstatného opotřebení. Hermeticky těsný pracovní prostor umožňuje nepřetržitý čistící proces (CIP/SIP) a následně nepřerušované výrobní procesy. (Zdroj: LEWA GmbH)

Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Produktmanagement Verfahrenstechnik Life Sciences/Clean Processes bei LEWA. (Quelle: LEWA GmbH) / Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Produktmanagement Verfahrenstechnik Life Sciences/Clean Processes bei LEWA. (Quelle: LEWA GmbH)

Termínová krátkodobá tepelná ošetření se v potravinářském průmyslu používají pro různé produkty, jako jsou mléko, míchané nápoje nebo tekuté potraviny, k zničení patogenních mikroorganismů a prodloužení trvanlivosti výrobků. Jelikož vysokotlaká homogenizace po tepelném ošetření nesmí kontaminovat potraviny znovu, je u všech použitých komponent kladen důraz na hygienicky správnou nebo aseptickou konstrukci, výběr materiálu a aplikaci. Dosud se při použití čerpadel obvykle používají pístová čerpadla, jejichž použití z hlediska zajištění aseptické výroby je považováno za druhou nejlepší volbu. Protože i přes konstrukční zohlednění pístových těsnění s sterilizačními bariérami a proplachovacími zařízeními existuje riziko re-kontaminace po čištění CIP/SIP v procesu, je třeba být opatrný. Navíc vznikající tepelná zátěž vede ke zvýšenému opotřebení pístu a jeho těsnicího systému, což snižuje jejich životnost – zejména u abrazivních složek zpracovávaných potravin. Alternativou jsou procesní membránová čerpadla: mají hermeticky uzavřený pracovní prostor, který je oddělen membránou od hydraulického prostoru a prostředí procesu. To zabraňuje kontaminaci kapalného prostoru zevnitř a tím i kontaminaci procesu včetně potravin.

Listerie v sýrech, E. coli v mase a salmonely v kojeneckém mléce – v poslední době se stále častěji objevují potravinové skandály a rozsáhlé odvolávky od renomovaných výrobců, které poškozují jejich pověst. To stále více zvyšuje povědomí spotřebitelů a klade větší tlak na odvětví: zejména u hygienicky náročných a citlivých produktů je nezbytné dbát na bezchybné výrobní hygienické postupy, aby byla zajištěna mikrobiologická integrita. Obecně platí: dobrá mikrobiologická kvalita a dlouhá stabilita v souladu s vysokými očekáváními zákazníků – například pokud jde o chuťové vlastnosti, zdraví a udržitelnost produktu – vyžadují šetrné a spolehlivé aseptické výrobní procesy. Termální krátkodobá ošetření (UHT) a důsledná následná aseptická technologie mohou být pro tento účel spolehlivým řešením z hlediska potravinářské technologie.

Nové trendy v oblasti potravin a nápojů, jako jsou „přírodní“ inovativní hotové produkty, kladou na potravinový řetězec výzvy v oblasti potravinové bezpečnosti. To platí nejen pro rostoucí očekávání ohledně čerstvosti a absence přidaných látek či konzervačních prostředků, což vyžaduje odlišné investice do výrobní technologie než u dřívějších výrobních procesů. K tomu přistupují i crossoverové produkty mezi potravinářským a farmaceutickým sektorem, například takzvané „nutriční nápoje“, které mohou obsahovat vysoké abrazivní podíly pevných látek (například v důsledku vápníku a ořechů) nebo mikrobiologicky citlivé složky. Při jejich výrobě jsou zkušenosti z farmaceutického GMP prostředí výhodou: doplňky stravy jsou kombinovány s funkčními mléčnými bílkovinnými zdroji, ovocem a aromaty do nových nápojů, které vyžadují zvláštní pozornost při výrobě v závislosti na jejich kyselost a pH hodnotách. Tyto vysoké požadavky platí také speciálně pro formulaci dětské výživy a vysoce kalorických klinických výživ (enterální/parenterální tekuté výživy). Při zpracování hrají klíčovou roli také čerpadla: například při dopravě surovin a při formulaci podle receptury, včetně proporčního dávkování a míchání složek. Jelikož by finální produkty měly být skladovány při pokojové teplotě a přitom dlouhodobě trvanlivé, doporučuje se i zde krátké tepelně ošetření jako optimální technologie s vysokou účinností odstraňování cizích mikroorganismů – v kombinaci s následnou aseptickou vysokotlakou homogenizací s membránovými čerpadly. To zabrání re-kontaminaci a zajistí šetrné zacházení s produktem.

Bez zbytků a mikrobiologická bezpečnost při vysokotlaké homogenizaci

Vysokotlaká homogenizace je zvlášť náročné pole použití pro čerpadla: zařízení pro tento účel sestávají vedle vysokotlaké čerpadla jako zdroje tlaku také z hydraulického spotřebiče, takzvaného homogenizačního ventilu. Úkolem čerpadla je dodávat energii pro dispergaci v ventilu, dopravovat dispergovatelné médium a zajišťovat přesné dávkování v procesu. Obecně lze homogenizátory rozdělit do následujících stupňů:

1) Nízkotlaká/středotlaká homogenizace: 50 - 500 bar (obvykle v potravinářském průmyslu, například kolem 400 bar s rostoucí tendencí)
2) Středotlaká homogenizace: 500 - 700 bar (v chemickém, kosmetickém a dalších průmyslech)
3) Vysokotlaká homogenizace: 700 - 2000 bar (například pro rozbití buněk k uvolnění metabolitů v biotechnologickém průmyslu nebo výrobu pyrogen-free liposomů ve farmaceutickém formulování)
4) Ultrahigh-pressure homogenizace: 2000 - 40 000 bar (pro sterilizaci/konzervaci potravin)

Hlavním účelem vysokotlaké homogenizace je rozmělnění a smíchání složek v emulzi nebo disperzi. Nejznámějším příkladem je homogenizace mléka, jejímž cílem je zabránit srážení tuku (srážení). Přitom technika nesmí ovlivnit kvalitu produktů. To je zvlášť důležité u kojenecké výživy: zde je cílem co nejvíce přiblížit vlastnosti mateřskému mléku prostřednictvím výběru složek při výrobě. Absolutní bez zbytků a nejvyšší mikrobiologická bezpečnost jsou zde základními požadavky. Těmto požadavkům musí vyhovovat aseptické zařízení a v nich použitá technická zařízení – například čerpadla – z hlediska výběru materiálu a konstrukce. Každý kompromis nebo chyba při instalaci představuje potenciální zdroj kontaminace v budoucnu.

Pracovní principy vysokotlakých čerpadel pro homogenizační aplikace

Oscilující vysokotlaká čerpadla, která jsou součástí vysokotlakých homogenizačních strojů, jsou nezbytná k dopravě média ze sací strany přes podávací čerpadlo (obvykle odstředivé čerpadlo) s tlakem zvýšeným na homogenizační jednotku (jedno- nebo dvoustupňový ventil). Čerpadla homogenizátorů jsou vybavena třemi až šesti čerpadlovými písty. Procesní membránová čerpadla se vyznačují robustní monoblokovou konstrukcí a díky integrovanému šnekovému převodu s vysokým hydraulickým výkonem vysokou plynulostí chodu. Specificky navržené opotřebení a hygienicky optimalizované fluidní ventily zajišťují spolehlivý přenos na sací i tlakové straně čerpadla. Nastavení automatických homogenizačních ventilů probíhá pneumatiky a hydraulicky. Velikost pulsů při homogenizaci vzniká především kavitačním efektem v komoře druhé stupně a závisí na místním poklesu tlaku. Dávkování oscilující membránové procesní pumpy je u nekomprimovatelných kapalin při rostoucím tlaku jen nepatrně sníženo a lze jej považovat za téměř konstantní. Tlakové výkyvy mezi oscilujícím čerpadlem a homogenizačním ventilem lze řešit pomocí tlumicích pulsací: vhodnou volbou provozních bodů čerpadla a tlumicích opatření na potrubí. Při návrhu lze využít velmi specifických dynamických simulačních programů, které pomáhají při optimalizaci.

Pro homogenizační úkoly po UHT ošetření musí být vysokotlaké homogenizační čerpadlo a ventil v souladu s aseptickými požadavky, aby byla zachována integrita zpracovávaných produktů. Většina současně používaných čerpadel jsou obvykle pístová čerpadla. U tohoto typu zařízení je třeba dbát na to, že pístová těsnění s sterilizačními bariérami a proplachovacími zařízeními musí být konstrukčně řešena tak, aby zabránila re-kontaminaci po CIP/SIP čištění v procesu. Navíc není možné vyloučit kontaminaci způsobenou opotřebením pístů v těsnicích systémech těchto čerpadel. Lepší volbou pro aseptické procesy jsou proto hermeticky uzavřená procesní membránová čerpadla.

Membránová čerpadla zabrání kontaminaci kapaliny

Membránové čerpadlo lze považovat za úspěšný vývoj pístového čerpadla, které – pokud jde o tzv. triplexová membránová čerpadla (tři písty) – dosahuje účinnosti až 95 procent. Obecně se vyznačuje nízkým opotřebením a průtokem, který je téměř nezávislý na tlaku. Jeho velkou výhodou v homogenizačních procesech je, že membránová čerpadla jsou konstrukčně bez dynamických těsnicích systémů. Tím je zajištěn hermeticky uzavřený pracovní prostor: není žádná emise nebo únik substrátu ven, ani vstup mikroorganismů dovnitř, takže je vyloučena kontaminace kapaliny. Proto je membránové čerpadlo určeno pro náročné aplikace. Hodí se například pro média, která musí být zcela bez úniku a bezpečně přepravována, protože jsou nebezpečná nebo abrazivní a nesmějí proniknout do výrobního prostředí, nebo – například u kojenecké výživy – musí zůstat kontaminace zdarma a sterilní.

Hygienicky správná nebo aseptická aplikace vyžaduje další speciální úpravy membránového čerpadla: vhodný materiál čerpadlové hlavy, například nerezová ocel 1.4404 nebo jinak odolné korozivzdorné slitiny, například 1.4439 nebo 1.4462 (duplex), leštěné povrchy s hodnotou RA < 0,8 µm a bez mrtvých zón a spár v kapalinových prostorech umožňují opakované efektivní čištění CIP/SIP a zajišťují sterilní provoz bez demontáže. Konstrukce a instalace čerpadla by však měly umožnit pravidelné kontroly výsledků čištění, aniž by byla ohrožena minimalizace sterilních spojů v potrubí. Směrnice, jako jsou od European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) – zejména dokument 17 („Hygienic Design of Pumps, Homogenizers and Dampening Devices“) – nebo standardy 3-A Sanitary Standards 44-03 („Sanitary Standards for Diaphragm Pumps“) a 04-05 („Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating Pumps“), poskytují pokyny, jak by měly být čerpadla pro potravinářský průmysl konstruována a instalována. Hygienické konstrukční aspekty týkající se čištění a vyprázdnění čerpadel, ventilů a potrubí sterilních zařízení pro návrh aseptických spojů membránových čerpadel lze rovněž nalézt v normě ASME BPE v platném znění.

Procesní membránová čerpadla lze podle požadavků procesu a potřebného tlaku vybavit vícevrstvou PTFE membránou v souladu s EU 10/2011 (až do 700 bar). Tento krok od pístových k membránovým čerpadlům výrazně přispívá k tomu, že u mléčných produktů lze udržovat proces bez nežádoucích mikroorganismů po nezbytnou dobu až do další kampaně CIP/SIP. V důsledku pokračujícího aseptického řetězce jsou hermeticky uzavřená vysokotlaká membránová čerpadla vhodná také pro dopravování parních proudů s aseptickými a zvlášť hygienicky citlivými mléčnými koncentráty.