Construcción herméticamente sellada: La tecnología de bombas de membrana asépticas garantiza la máxima seguridad en la producción de alimentos

Dado que los homogeneizadores posteriores al proceso UHT no deben volver a contaminar los alimentos, se deben utilizar bombas de membrana de alta presión. Se debe prestar atención a que los accesorios tengan un diseño higiénico y que su instalación permita una limpieza adecuada. (Fuente: LEWA GmbH)

Homogeneizadores de alta presión consisten en una bomba que actúa como generador de presión y un consumidor hidráulico, llamado válvula de homogeneización. (Fuente: LEWA GmbH)

El propósito de la bomba es generar la energía para la dispersión en la válvula de homogeneización, transportar el fluido a dispersar y garantizar la cantidad exacta de flujo en el proceso. (Fuente: LEWA GmbH)

Las bombas homogenizadoras cuentan con de tres a seis cabezales de bomba. Los procesos asépticos están equipados con pasos de homogenización y torres de pulverización con bombas de diafragma de proceso herméticamente selladas. Sus diseños se destacan por funcionar sin juntas dinámicas. (Fuente: LEWA GmbH)

Las bombas de membrana de proceso se destacan por su construcción monobloque robusta, su funcionamiento suave gracias a la caja de engranajes de tornillo integrada con alta potencia hidráulica y por tener caudales que son independientes de la presión de descarga. (Fuente: LEWA GmbH)

Su gran ventaja en cuanto a la homogeneización radica en que las bombas de membrana están diseñadas, por motivos constructivos, para un funcionamiento robusto las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sin un desgaste significativo. Un espacio de trabajo herméticamente cerrado permite un proceso de limpieza continuo (CIP/SIP) y, posteriormente, procesos de producción sin interrupciones. (Fuente: LEWA GmbH) / En aplicaciones de homogeneización, se beneficia enormemente del hecho de que las bombas de diafragma están diseñadas para un funcionamiento continuo y robusto las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sin un desgaste significativo. Un espacio de trabajo herméticamente cerrado permite un proceso de limpieza continuo (CIP/SIP) seguido de procesos de producción sin interrupciones. (Fuente: LEWA GmbH)

Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Gestión de productos en Ingeniería de Procesos para Ciencias de la Vida/Procesos Limpios en LEWA. (Fuente: LEWA GmbH) / Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Gestión de productos en Ingeniería de Procesos para Ciencias de la Vida/Procesos Limpios en LEWA. (Fuente: LEWA GmbH)

El tratamiento térmico de corta duración se utiliza en la industria alimentaria para una variedad de productos como leche, bebidas mezcladas o alimentos líquidos, con el fin de eliminar microorganismos patógenos y prolongar la vida útil de los productos. Dado que una homogeneización a alta presión después de un tratamiento térmico no debe volver a contaminar los alimentos, en todos los componentes utilizados se debe prestar atención a una construcción higiénica o estéril, así como a la selección de materiales y a la aplicación adecuada. Hasta ahora, en la tecnología de bombas instalada, generalmente se recurría a bombas de pistón, cuya utilización en términos de seguridad de producción aséptica solo representa la segunda mejor opción. Porque, a pesar de la consideración constructiva de empaques de pistón con barreras estériles y dispositivos de lavado, existe el riesgo de reinfección tras una limpieza CIP/SIP en proceso. Además, la carga térmica generada por esto conduce a un mayor desgaste del pistón y de su sistema de sellado, reduciendo significativamente la vida útil, especialmente en ingredientes abrasivos de los alimentos tratados. Una alternativa son las bombas de membrana de proceso: disponen de un espacio de trabajo herméticamente cerrado, separado de la cámara hidráulica y del entorno del proceso mediante una membrana. Esto evita la contaminación del fluido interno y, por lo tanto, previene la contaminación del espacio del proceso, incluidos los alimentos.

Listeria en queso, bacterias E. coli en carne y salmonelas en leche infantil: en los últimos tiempos, los escándalos alimentarios y las retiradas de productos por parte de grandes fabricantes que dañan su reputación se han acumulado. Esto sensibiliza cada vez más a los consumidores y aumenta la presión sobre la industria: especialmente en productos que exigen altos estándares de higiene y son delicados, es imprescindible prestar aún más atención a una higiene de producción sin fallos y a pasos de proceso higiénicos impecables para garantizar la integridad microbiológica. En general, se aplica que una buena calidad microbiológica y una larga estabilidad, en consonancia con altas expectativas del cliente — por ejemplo, en cuanto a buen sabor, salud y sostenibilidad del producto — hacen necesarias técnicas de producción asépticas suaves y confiables. El tratamiento térmico de corta duración (procedimiento UHT) y una tecnología aséptica posterior consistente pueden ofrecer una solución confiable desde el punto de vista tecnológico de los alimentos.

Las nuevas tendencias en el sector de alimentos y bebidas, como productos "naturales" innovadores listos para consumir, desafían la cadena de suministro de alimentos en cuanto a la seguridad alimentaria. Esto no solo implica expectativas crecientes respecto a la frescura, así como a productos libres de aditivos y conservantes, lo que requiere inversiones diferentes en tecnología de producción en comparación con procesos anteriores. Además, surgen productos transversales entre los sectores alimentario y farmacéutico, como las "bebidas nutricionales" listas para beber, que en ocasiones contienen altas proporciones de sólidos abrasivos (por ejemplo, a través de calcio y nueces) o ingredientes microbiológicamente sensibles. Para su producción, la experiencia en GMP farmacéutico es ventajosa: se combinan ingredientes alimenticios con fuentes de proteínas lácteas funcionales, frutas y aromas en bebidas novedosas, que requieren especial atención en su fabricación debido a sus valores de acidez y pH. Estos altos requisitos también se aplican específicamente a la formulación de alimentos para bebés y nutrición clínica hipercalórica (líquidos enterales/parenterales). En el procesamiento, las bombas juegan un papel central: por ejemplo, en la alimentación de materias primas y en la formulación según recetas, incluyendo la dosificación proporcional y mezcla de ingredientes. Dado que los productos finales se almacenan idealmente a temperatura ambiente y deben mantenerse durante mucho tiempo, también aquí se recomienda un tratamiento térmico breve como tecnología óptima con alta tasa de eliminación de gérmenes, combinado con una homogeneización aséptica posterior mediante tecnología de bombas de membrana. Esto previene la recontaminación y garantiza un manejo suave del producto.

Libertad de residuos y seguridad microbiológica en la homogeneización a alta presión

La homogeneización a alta presión es un campo de aplicación especialmente exigente para la tecnología de bombas: las instalaciones utilizadas constan, además de una bomba de alta presión como generador de presión, de un elemento hidráulico, conocido como válvula de homogeneización. La función de la bomba es aportar la energía para la dispersión en la válvula, transportar el fluido a dispersar y asegurar un caudal preciso en el proceso. En general, las homogeneizadoras se pueden dividir en las siguientes etapas:

1) Homogeneización de baja/media presión: 50 - 500 bar (típicamente en la industria alimentaria, alrededor de 400 bar con tendencia al alza)
2) Homogeneización de media presión: 500 - 700 bar (en industrias químicas, cosméticas y otras)
3) Homogeneización de alta presión: 700 - 2.000 bar (por ejemplo, para la ruptura celular y liberación de metabolitos en biotecnología o para la fabricación de liposomas libres de pirógenos en formulación farmacéutica)
4) Homogeneización de ultra alta presión: 2.000 - 40.000 bar (para la destrucción de gérmenes y conservación de alimentos)

El objetivo principal de la homogeneización a alta presión es la reducción y mezcla de componentes en una emulsión o dispersión. El ejemplo más conocido es la homogeneización de leche, que busca evitar la aglomeración de grasa (formación de nata). La técnica utilizada no debe afectar la calidad de los productos, especialmente en el caso de alimentos para bebés: aquí, el objetivo es acercarse lo más posible a las propiedades de la leche materna mediante la selección de componentes en la fabricación. La libertad total de residuos y la máxima seguridad microbiológica son requisitos fundamentales. Estos requisitos deben ser cumplidos por las instalaciones asépticas y los aparatos de proceso instalados en ellas, como las bombas, en cuanto a selección de materiales y construcción. Cualquier compromiso o error en la instalación puede convertirse en una fuente potencial de contaminación futura.

Principios de funcionamiento de las bombas de alta presión para aplicaciones de homogeneización

Las bombas de alta presión oscilantes, que equipan las máquinas de homogeneización a alta presión, son necesarias para transportar el fluido desde el lado de succión a la unidad de homogeneización (válvula de una o dos etapas) mediante un aumento de presión, usando una bomba de alimentación (normalmente una bomba centrífuga). Las bombas de homogeneización están equipadas con de tres a seis cámaras de bombeo. Las bombas de membrana de proceso se caracterizan por una construcción monobloque robusta y, debido a la transmisión de engranaje de tornillo integrada, por una alta potencia hidráulica y un funcionamiento suave. Las válvulas de fluido diseñadas específicamente para la aplicación, optimizadas en desgaste e higiene, aseguran un transporte fiable en el lado de succión y presión de la bomba. La regulación de las válvulas de homogeneización automáticas se realiza de forma neumática e hidráulica. La caída de presión en la cámara de la segunda etapa, que genera la cavitación, depende principalmente de la caída de presión en esa etapa. La cantidad de bombeo de una bomba de membrana oscilante en fluidos incompresibles apenas disminuye con el aumento de presión y puede considerarse casi constante. Las fluctuaciones de presión entre la bomba oscilante y la válvula de homogeneización pueden contrarrestarse mediante medidas de amortiguación de pulsaciones: mediante la elección adecuada de los puntos de operación de la bomba y mediante medidas de amortiguación en las tuberías. Los programas de simulación dinámica muy específicos pueden apoyar en el diseño durante estudios de pulsaciones.

Para tareas de homogeneización tras un tratamiento UHT, la bomba de homogeneización y la válvula deben cumplir, consecuentemente, requisitos asépticos para mantener la integridad de los productos tratados. Sin embargo, muchas bombas aún en uso son, en general, bombas de pistón. En este tipo de equipos, hay que tener en cuenta que los empaques de pistón con barreras estériles y dispositivos de lavado deben estar diseñados constructivamente para prevenir la reinfección tras una limpieza CIP/SIP en proceso. Además, no se puede descartar la contaminación por desgaste del pistón en los empaques en esta clase de bombas. La opción más adecuada para procesos asépticos es, por tanto, equipar las etapas de homogeneización con bombas de membrana de proceso herméticamente cerradas.

La tecnología de bombas de membrana evita la contaminación del fluido

La bomba de membrana puede considerarse una evolución exitosa de la bomba de pistón, alcanzando, en el caso de las bombas de membrana triplex (tres cámaras de bombeo), un rendimiento de hasta el 95%. Se caracteriza por un desgaste mínimo y por caudales de bombeo que son casi independientes de la presión de transporte. La gran ventaja en relación con la homogeneización es que las bombas de membrana funcionan, por diseño, sin sistemas de sellado dinámico. Esto garantiza un espacio de trabajo herméticamente cerrado: no hay emisiones ni salida de substratos hacia el exterior, ni entrada de gérmenes hacia el interior, por lo que se puede excluir la contaminación del fluido. Por ello, las bombas de membrana son ideales para aplicaciones exigentes. Son adecuadas, por ejemplo, para medios que deben transportarse sin fugas y de forma segura, ya que son peligrosos o abrasivos y no deben entrar en el entorno de producción, o, como en el caso de la leche infantil, deben mantenerse libres de contaminación y esterilizados.

Una aplicación higiénica o aséptica requiere ajustes especiales adicionales en la cabeza de la bomba de membrana: materiales adecuados como acero inoxidable 1.4404 o, alternativamente, materiales austeníticos altamente resistentes a la corrosión como 1.4439 o 1.4462 (Dúplex), superficies pulidas con un valor RA < 0,8 µm y espacios de fluido libres de zonas muertas y juntas, permiten realizar repetidos pasos de limpieza CIP/SIP de forma eficiente y garantizar un funcionamiento estéril sin desmontajes. La construcción e instalación de la bomba deben permitir revisiones periódicas de los resultados de limpieza sin comprometer la minimización de interfaces estériles en la conducción de tuberías. Normativas como las de la European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) — especialmente el documento 17 ("Diseño higiénico de bombas, homogeneizadores y dispositivos de vaporización") — o las normas sanitarias 3-A 44-03 ("Normas sanitarias para bombas de diafragma") y 04-05 ("Normas sanitarias para homogeneizadores y bombas de desplazamiento alternativo") ofrecen indicaciones sobre cómo deben ser diseñadas e instaladas las bombas para la industria alimentaria. Los aspectos constructivos higiénicos en cuanto a limpieza y vaciado de bombas, válvulas y tuberías en instalaciones estériles para la conexión de procesos asépticos de bombas de membrana también pueden consultarse en la normativa ASME BPE en su versión vigente.

Las bombas de membrana de proceso pueden equiparse, según los requisitos del proceso y la presión necesaria, con una membrana de PTFE multicapa conforme a la norma EU 10/2011 (hasta 700 bar). Este paso, de la tecnología de bombas de pistón a la de membrana, contribuye significativamente en el caso de productos lácteos a mantener un proceso sin microorganismos no deseados durante el tiempo necesario hasta la próxima campaña de limpieza CIP/SIP. En una cadena de proceso estrictamente aséptica, las bombas de membrana de alta presión herméticas también son adecuadas para alimentar con vapor de lavado las concentraciones lácteas, que son especialmente sensibles y deben mantenerse libres de contaminación y esterilizadas.