Construction hermétiquement étanche : la technique de pompe à membrane aseptique garantit la plus haute sécurité de production dans l'industrie alimentaire

Étant donné que les homogénéisateurs en aval des procédés UHT ne doivent pas recontaminer les aliments, il faut utiliser des pompes à membrane haute pression. Il convient de veiller à ce que les accessoires soient conçus de manière hygiénique et installés de façon à permettre leur nettoyage. (Source : LEWA GmbH)

Les homogénéiseurs à haute pression se composent à la fois d'une pompe agissant comme générateur de pression et d'un consommateur hydraulique, appelé la valve d'homogénéisation. (Source : LEWA GmbH)

Le but de la pompe est de fournir l'énergie nécessaire à la dispersion dans la vanne d'homogénéisation, de transporter le fluide à disperser et d'assurer la précision du débit dans le processus. (Source : LEWA GmbH)

Les pompes à homogénéiser disposent de trois à six têtes de pompe. Dans les processus aseptiques, les étapes d'homogénéisation ainsi que les tours de pulvérisation sont équipées de pompes à membrane de processus hermétiquement étanches. Leur conception se distingue par leur fonctionnement sans joints dynamiques. (Source : LEWA GmbH) / Les pompes à homogénéiser sont équipées de trois à six têtes de pompe. Les processus aseptiques sont équipés d'étapes d'homogénéisation et de tours de pulvérisation avec des pompes à membrane de processus hermétiquement étanches. Leur conception se caractérise par leur fonctionnement sans joints dynamiques. (Source : LEWA GmbH)

Les pompes à membranes de processus se distinguent par leur conception monobloc robuste, leur fonctionnement silencieux grâce à l'engrenage à vis intégré avec une haute puissance hydraulique, ainsi que par des débits indépendants de la pression de refoulement. (Source : LEWA GmbH)

Votre avantage majeur en matière d'homogénéisation réside dans le fait que les pompes à membrane sont conçues, en raison de leur construction, pour un fonctionnement robuste 24/7 sans usure significative. Un espace de travail hermétiquement étanche permet un processus de nettoyage continu (CIP/SIP) et des processus de production sans interruption. (Source : LEWA GmbH) / Dans les applications d'homogénéisation, vous bénéficiez énormément du fait que les pompes à membrane sont conçues pour un fonctionnement continu robuste 24/7 sans usure importante. Un espace de travail hermétiquement étanche permet un processus de nettoyage continu (CIP/SIP) suivi de processus de production sans interruption. (Source : LEWA GmbH)

Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, gestion de produits en génie des procédés pour les sciences de la vie / processus propres chez LEWA. (Source : LEWA GmbH) / Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, gestion de produits en génie des procédés pour les sciences de la vie / processus propres chez LEWA. (Source : LEWA GmbH)

Le traitement thermique de courte durée est utilisé dans l'industrie alimentaire pour une variété de produits tels que le lait, les boissons mélangées ou les aliments liquides, afin d'éliminer les micro-organismes pathogènes et de prolonger la durée de conservation des produits. Étant donné qu'une homogénéisation à haute pression après un traitement thermique ne doit pas recontaminer les aliments, il est essentiel de veiller à ce que toutes les composants utilisés soient conçus de manière hygiénique ou aseptique, en choisissant les matériaux appropriés et en appliquant des procédés conformes. Jusqu'à présent, la technologie de pompage utilisée repose généralement sur des pompes à piston, dont l'utilisation pour garantir une production aseptique n'est que la deuxième meilleure option. En effet, malgré la conception avec des joints de piston équipés de barrières stériles et des dispositifs de rinçage, il existe un risque de recontamination après un nettoyage CIP/SIP en cours de processus. De plus, la charge thermique induite par cette méthode entraîne une usure accrue du piston et de son système d'étanchéité, réduisant ainsi considérablement la durée de vie de la pompe, notamment lorsque les aliments traités contiennent des substances abrasives. Une alternative consiste en des pompes à membrane de procédé : elles disposent d'un espace de travail hermétiquement étanche, séparé du volume hydraulique et de l'environnement du procédé par une membrane. Cela empêche la contamination du fluide interne et garantit ainsi qu'aucune contamination ne peut atteindre le volume de processus ou les aliments.

Les listérioses dans le fromage, Escherichia coli dans la viande et Salmonella dans le lait pour bébé – ces dernières années, les scandales alimentaires et les rappels massifs par de grands fabricants ont accru la sensibilisation des consommateurs et exercé une pression croissante sur l'industrie. Cela incite à une vigilance accrue quant à une hygiène de production sans faille, avec des étapes de processus hygiéniques irréprochables, afin de garantir l'intégrité microbiologique. En général, la qualité microbiologique optimale et une longue stabilité, en accord avec des attentes élevées des clients – notamment en termes de goût, de santé et de durabilité du produit – rendent nécessaires des procédés de fabrication aseptiques doux et fiables. Le traitement thermique de courte durée (procédé UHT) et une technologie aseptique en aval peuvent offrir une solution technologique fiable pour l'industrie alimentaire.

Les nouvelles tendances dans le secteur alimentaire et des boissons, telles que les produits « naturels » innovants prêts à être consommés, mettent au défi la chaîne d'approvisionnement alimentaire en matière de sécurité sanitaire. Cela ne concerne pas seulement des attentes accrues en termes de fraîcheur, d'absence d'additifs et de conservateurs, mais aussi des investissements différents dans la technologie de production par rapport aux procédés antérieurs. S'ajoutent également des produits hybrides entre le secteur alimentaire et pharmaceutique, comme les « boissons nutritionnelles » prêtes à boire, qui contiennent parfois de fortes quantités de particules abrasives (par exemple, calcium et noix) ou des ingrédients microbiologiquement sensibles. Leur fabrication bénéficie de l'expérience acquise dans le domaine pharmaceutique selon les bonnes pratiques de fabrication (GMP) : des compléments alimentaires combinés à des sources de protéines de lait fonctionnelles, des fruits et des arômes, pour créer des boissons innovantes nécessitant une attention particulière en raison de leur acidité et de leur pH. Ces exigences élevées s'appliquent également à la formulation des aliments pour bébés et des nutrition cliniques hypercaloriques (aliments liquides entéraux/parenteraux). La technique de pompage joue ici un rôle central, notamment pour l'alimentation en matières premières et la formulation conforme à la recette, y compris la dose proportionnelle et le mélange des ingrédients. Étant donné que les produits finis doivent idéalement être stockés à température ambiante tout en restant longtemps stables, une courte étape de traitement thermique est recommandée comme technologie optimale, permettant une élimination élevée des germes étrangers – combinée à une homogénéisation à haute pression aseptique avec une technologie de pompe à membrane. Cela évite toute recontamination et garantit un traitement doux du produit.

Liberté de résidus et sécurité microbiologique lors de l'homogénéisation à haute pression

L'homogénéisation à haute pression constitue un domaine d'application particulièrement exigeant pour la technologie de pompage : les installations utilisées comprennent, en plus d'une pompe à haute pression comme générateur de pression, un consommateur hydraulique, appelé vanne d'homogénéisation. La tâche de la pompe consiste à fournir l'énergie nécessaire à la dispersion dans la vanne, à transporter le fluide à disperser et à assurer un débit précis dans le processus. En général, les homogénéiseurs peuvent être classés en plusieurs étapes :

1) Homogénéisation à basse/moyenne pression : 50 - 500 bar (typiquement dans l'industrie alimentaire, par exemple autour de 400 bar avec une tendance à l'augmentation)
2) Homogénéisation à moyenne pression : 500 - 700 bar (dans les industries chimique, cosmétique et autres)
3) Homogénéisation à haute pression : 700 - 2000 bar (par exemple pour la rupture cellulaire et la libération de métabolites en biotechnologie ou la fabrication de liposomes stériles en formulation pharmaceutique)
4) Homogénéisation à ultra-haute pression : 2000 - 40 000 bar (pour l'élimination des germes et la conservation des aliments)

L'homogénéisation à haute pression sert essentiellement à réduire la taille des particules et à mélanger des composants dans une émulsion ou une dispersion. L'exemple le plus connu est l'homogénéisation du lait, qui vise à empêcher la formation d'agglomérats de graisse (crémage). La technique utilisée ne doit pas compromettre la qualité des produits, notamment pour les aliments pour nourrissons : l'objectif est de se rapprocher autant que possible des propriétés du lait maternel par le choix des composants lors de la fabrication. La liberté de résidus absolue et la sécurité microbiologique maximale sont des prérequis fondamentaux. Ces exigences doivent être satisfaites par des installations aseptiques et les appareils de procédé qu'elles contiennent – comme les pompes – en termes de choix des matériaux et de conception. Tout compromis ou erreur d'installation peut devenir une source potentielle de contamination ultérieure.

Principes de fonctionnement des pompes à haute pression pour l'homogénéisation

Les pompes à haute pression oscillantes, utilisées dans les machines d'homogénéisation à haute pression, sont nécessaires pour transporter le fluide de la zone d'aspiration vers l'unité d'homogénéisation (vanne simple ou à deux étages) via une augmentation de pression à l'aide d'une pompe d'alimentation (généralement une pompe centrifuge). Les pompes d'homogénéisation sont équipées de trois à six chambres de pompage. Les pompes à membrane de procédé se distinguent par leur construction monobloc robuste et, grâce à leur engrenage à vis intégré, par leur haute puissance hydraulique et leur fonctionnement silencieux. Des vannes de fluide conçues spécifiquement pour l'application, optimisées pour la durabilité et l'hygiène, assurent un transport fiable sur la zone d'aspiration et la zone de pression de la pompe. La régulation automatique des vannes d'homogénéisation se fait par commande pneumatique ou hydraulique. La taille des gouttelettes lors de l'homogénéisation résulte principalement de la cavitation dans la chambre de la deuxième étape et dépend de la chute de pression à cet endroit. La quantité de fluide transportée par une pompe à membrane oscillante est peu affectée par la pression croissante, surtout pour les fluides incompressibles, et peut être considérée comme quasi constante. Les fluctuations de pression entre la pompe oscillante et la vanne d'homogénéisation peuvent être compensées par des mesures d'amortissement des pulsations : en choisissant judicieusement les points de fonctionnement de la pompe et en utilisant des dispositifs d'amortissement en ligne. Lors d'une étude sur les pulsations, des programmes de simulation dynamique très spécifiques peuvent aider à la conception.

Pour les tâches d'homogénéisation après un traitement UHT, la pompe d'homogénéisation et la vanne doivent répondre aux exigences aseptiques afin de préserver l'intégrité des produits traités. La plupart des pompes encore utilisées aujourd'hui sont des pompes à piston. Avec ce type d'appareil, il est important que les joints de piston équipés de barrières stériles et de dispositifs de rinçage soient conçus pour éviter toute recontamination après un nettoyage CIP/SIP en cours de processus. De plus, la contamination par l'usure du piston dans le joint ne peut être exclue pour cette classe de pompes. La meilleure option pour des procédés aseptiques consiste donc à équiper les étapes d'homogénéisation avec des pompes à membrane de procédé hermétiquement étanches.

La technologie des pompes à membrane empêche la contamination du fluide

La pompe à membrane peut être considérée comme une évolution réussie de la pompe à piston, atteignant un rendement pouvant atteindre 95 % pour ce que l'on appelle les pompes à membrane triplex (trois chambres de pompage). Elle se caractérise par une usure minimale et par un débit quasi indépendant de la pression de refoulement. Son avantage principal pour l'homogénéisation réside dans le fait que, par conception, les pompes à membrane fonctionnent sans systèmes d'étanchéité dynamiques. Un espace de travail hermétique est ainsi assuré : il n'y a ni émission ni fuite de substrat vers l'extérieur, ni entrée de germes vers l'intérieur, ce qui exclut tout risque de contamination du fluide. La pompe à membrane est donc adaptée aux applications exigeantes. Elle convient notamment pour le transport de milieux nécessitant une étanchéité absolue et une sécurité opérationnelle, car ils sont dangereux ou abrasifs, ou qu'ils ne doivent en aucun cas pénétrer dans l'environnement de production, ou encore, comme dans le cas des aliments pour bébés, qu'ils doivent rester stériles et sans contamination.

Une conception hygiénique ou aseptique de la pompe nécessite des adaptations spécifiques supplémentaires du corps de pompe : matériaux appropriés tels que l'acier inoxydable 1.4404 ou, en alternative, des matériaux austénitiques très résistants à la corrosion comme le 1.4439 ou le 1.4462 (duplex), des surfaces polies avec une valeur RA < 0,8 µm, ainsi que des volumes fluides à faible volume mort et sans fentes, peuvent permettre des cycles de nettoyage CIP/SIP répétés et assurer un fonctionnement stérile sans démontage. La conception et l'installation de la pompe doivent toutefois permettre des contrôles périodiques des résultats de nettoyage, sans compromettre la réduction des interfaces stériles dans la conduite. Des directives telles que celles du European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) – notamment le document 17 (« Conception hygiénique des pompes, homogénéiseurs et dispositifs de vaporisation ») – ou les normes sanitaires 3-A 44-03 (« Normes sanitaires pour les pompes à membrane ») et 04-05 (« Normes sanitaires pour les homogénéiseurs et les pompes à piston ») fournissent des indications sur la conception et l'installation des pompes pour l'industrie alimentaire. Les aspects hygiéniques liés à la conception pour le nettoyage et la vidange des pompes, vannes et conduites dans les installations stériles pour la conception des raccords de processus aseptiques des pompes à membrane peuvent également être extraits du standard ASME BPE dans sa version en vigueur.

Les pompes à membrane de procédé peuvent, en fonction des exigences du procédé et du niveau de pression requis, être équipées d'une membrane en PTFE multicouche conforme à la norme EU 10/2011 (jusqu'à 700 bar). Cette évolution, passant de la technologie à piston à la technologie à membrane, contribue de manière significative, dans le cas des produits laitiers, à maintenir un processus sans microorganismes indésirables pendant toute la durée nécessaire jusqu'à la prochaine campagne de nettoyage CIP/SIP. Dans une chaîne de processus aseptique cohérente, les pompes à membrane à haute pression hermétiques sont également adaptées pour alimenter en vapeur stérile les concentrés de lait, notamment ceux qui sont particulièrement sensibles à l'hygiène.