Hermetikus szigetelésű konstrukció: Az aseptikus membránszivattyú-technológia a legmagasabb gyártási biztonságot biztosít az élelmiszer-előállításban

Mivel az UHT-folyamat utáni homogenizátorok nem szabad, hogy újra szennyezzék az élelmiszert, magasnyomású membránszivattyúkat kell alkalmazni. A csatlakozások esetében ügyelni kell arra, hogy higiénikus kialakításúak legyenek, és azok tisztítását lehetővé tevő módon legyenek beépítve. (Forrás: LEWA GmbH)

Magasnyomású homogenizátorok egy nyomásgenerátorként működő szivattyúból és egy hidraulikus fogyasztóból állnak, amelyet homogenizációs szelepnek neveznek. (Forrás: LEWA GmbH) / A magasnyomású homogenizálók mind egy nyomásgenerátorként működő szivattyúból, mind pedig egy hidraulikus fogyasztóból, az úgynevezett homogenizációs szelepből állnak. (Forrás: LEWA GmbH)

A szivattyú célja az energia biztosítása a diszpergáláshoz a homogenizációs szelepben, a diszpergálandó folyadék szállítása és a pontos áramlási mennyiség biztosítása a folyamat során. (Forrás: LEWA GmbH) / A szivattyú célja az energia előállítása a diszpergáláshoz a homogenizációs szelepben, a diszpergálandó folyadék szállítása és a pontos áramlási mennyiség biztosítása a folyamat során. (Forrás: LEWA GmbH)

Homogenizáló szivattyúk háromtól hat szivattyúfejig vannak felszerelve. Aszeptikus folyamatoknál homogenizálási lépésekkel és permettoronykkal vannak ellátva hermetikusan záródó folyamat-diaphragma szivattyúkkal. Konstruktív jellemzőjük, hogy működésük dinamikus tömítések nélkül történik. (Forrás: LEWA GmbH) / Homogenizáló szivattyúk háromtól hat szivattyúfejig vannak felszerelve. Aszeptikus folyamatoknál homogenizálási lépésekkel és permettoronykkal vannak ellátva hermetikusan záródó folyamat-diaphragma szivattyúkkal. Konstruktív jellemzőjük, hogy működésük dinamikus tömítések nélkül történik. (Forrás: LEWA GmbH)

Folyadékszelepművek jellemzője a masszív monoblokk kialakítás, a sima működés az integrált csigaház révén, amely magas hidraulikus teljesítményt nyújt, valamint a szállítási mennyiségek, amelyek függetlenek a nyomástól. (Forrás: LEWA GmbH) / A membránszivattyúk kiemelkednek erős monoblokk kialakításukkal, az integrált csigaháznak köszönhetően sima működésükkel, valamint a nyomástól független áramlási mennyiségükkel. (Forrás: LEWA GmbH)

Az homogenizálásban való nagy előnye az, hogy a membránszivattyúk szerkezeti kialakításukból adódóan alkalmasak a robusztus, folyamatos 24/7-es üzemre jelentős kopás nélkül. Egy hermetikusan zárt munkatér lehetővé teszi a folyamatos tisztítási folyamatot (CIP/SIP), majd pedig megszakítás nélküli gyártási folyamatokat. (Forrás: 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)

A hőkezelés rövid idejű alkalmazása az élelmiszeriparban különböző termékek, például tej, keverékitalok vagy folyékony élelmiszerek esetében alkalmazott, hogy elpusztítsa a patogén mikroorganizmusokat és meghosszabbítsa a termékek eltarthatóságát. Mivel a magasnyomású homogenizálás nem szabad, hogy az élelmiszerhőkezelés után újra szennyeződjön, minden alkalmazott komponens esetében ügyelni kell a higiénikus vagy aseptikus kialakításra, anyagválasztásra és alkalmazásra. Eddig általában a dugattyús szivattyúkat alkalmazták a szivattyútechnológiában, azonban ezek használata az aseptikus gyártási biztonság szempontjából csak a második legjobb választás. Mert bár a dugattyúcsomagolások sterilbarrier-ekkel és öblítőberendezésekkel vannak kialakítva, fennáll a kockázata a visszafertőződésnek a CIP/SIP folyamat utáni tisztítás után. Emellett a keletkező termikus terhelés növeli a dugattyú és tömítési rendszerének kopását, így jelentősen csökkentve a tartósságot – különösen az abrazív összetevőket tartalmazó feldolgozott termékek esetében. Alternatívát jelentenek a folyamatmembránszivattyúk: ezek hermetikusan zárt munkaterülettel rendelkeznek, amely a membránon keresztül hermetikusan el van választva a hidraulikus tértől és a folyamatkörnyezettől. Ez megakadályozza a fluidum szennyeződését a belső térben, így megakadályozva a folyamat tér és az élelmiszerek szennyeződését.

A sajtban találhatóListeria, a húsban lévő E. coli baktériumok és a bébiételekben található Salmonella – az utóbbi időben egyre több élelmiszerbotrány és hírnevet rontó visszahívás történik nagy gyártóktól. Ez egyre inkább érzékennyé teszi a fogyasztókat, és növeli az iparág nyomását: különösen higiénikusan igényes és érzékeny termékek esetében elengedhetetlen, hogy még szigorúbban ügyeljenek a gyártási higiénia hiánytalan betartására, a hibátlan higiénikus folyamatlépések alkalmazására, hogy biztosítsák a mikrobiológiai integritást. Általánosságban elmondható: a jó mikrobiológiai minőség és a hosszú stabilitás, összhangban a magas fogyasztói elvárásokkal – például az ízletes tulajdonságok, az egészség és a fenntarthatóság szempontjából – a kíméletes és megbízható aseptikus gyártási folyamatokat tesz szükségessé. A hőkezelés rövid idejű alkalmazása (UHT eljárás) és a következetes utólagos aseptikus technológia erre egy élelmiszertechnológiailag megbízható megoldást kínál.

Új trendek az élelmiszer- és italiparban, mint például a „természetes” innovatív készételek, kihívást jelentenek az élelmiszerellátási lánc számára az élelmiszerbiztonság terén. Ez nemcsak a termékek frissességét, hanem az adalék- és tartósítószer-mentességet is növeli, ami más beruházásokat tesz szükségessé a gyártástechnológiában, mint korábban. Emellett megjelentek az átfedő termékek az élelmiszer- és gyógyszeripar között, például az ivásra kész „Táplálékkiegészítő italok”, amelyek részben magas abrazív szilárd anyagokat tartalmaznak (például kalcium és diófélék), vagy mikrobiológiailag érzékeny összetevőket. Ezek gyártásához előnyös a gyógyszerészeti GMP környezetben szerzett tapasztalat: ezekben az esetekben táplálékkiegészítőket kombinálnak funkcionális tejfehérjékkel, gyümölcsökkel és aromákkal, amelyek külön figyelmet igényelnek gyártás során az sav- és pH-értékük miatt. Ezek a magas követelmények különösen igazak a bébiételek és a magas kalóriatartalmú klinikai táplálékok (per os vagy parenterális folyadékok) formulálására. A feldolgozás során különösen fontos szerepet kap a szivattyútechnológia: például az alapanyagok szállításában és a receptúrához illeszkedő formulálásban, ideértve az összetevők arányos adagolását és keverését. Mivel az endtermékek ideálisan szobahőmérsékleten tárolhatók, és hosszú ideig eltarthatók, itt is javasolt a rövid hőkezelés, mint optimális technológia, magas idegen mikroorganizmus eltávolítási rátával – ezt követi az aseptikus magasnyomású homogenizálás membránszivattyú technológiával. Ez megakadályozza az újra szennyeződést és biztosítja a kíméletes termékkezelést.

Maradéktalan tisztaság és mikrobiális biztonság magasnyomású homogenizálás során

A magasnyomású homogenizálás különösen igényes alkalmazási terület a szivattyútechnológiában: az ehhez használt berendezések magasnyomású szivattyúból, mint nyomásforrásból, valamint egy hidraulikus fogyasztóból, az ún. homogenizáló szelepből állnak. A szivattyú feladata, hogy energiát szolgáltasson a diszpergáláshoz a szelepben, szállítsa a diszpergálandó folyadékot, és biztosítsa az exakttáplálási mennyiséget a folyamat során. Általában a homogenizálók a következő szintekre oszthatók:

1) Alacsony-/közepesnyomású homogenizálás: 50 - 500 bar (általában az élelmiszeriparban, például kb. 400 bar, növekvő tendencia)
2) Közepesnyomású homogenizálás: 500 - 700 bar (kémiai, kozmetikai és más iparágakban)
3) Magasnyomású homogenizálás: 700 - 2000 bar (például sejtfeltörés a metabolitok felszabadításához biotechnológiai iparban vagy lázmentes liposzómák gyártásához a gyógyszerkészítésben)
4) Ultrahigh-pressure homogenizálás: 2000 - 40 000 bar (az élelmiszerek kórokozó-mentesítéséhez/tartósításához)

A magasnyomású homogenizálás alapvetően az összetevők aprítására és keverésére szolgál emulziókban vagy diszperziókban. Legismertebb példája a tej homogenizálása, amelynek célja a zsírcsoportosulás (felülethasadék) megakadályozása. Ekkor a használt technológia nem befolyásolhatja a termék minőségét. Ez különösen igaz a csecsemőtáplálékokra: itt az a cél, hogy a gyártás során az összetevők kiválasztásával a lehető legközelebb kerüljenek az anyatej tulajdonságaihoz. Az abszolút maradéktalan tisztaság és a legmagasabb mikrobiális biztonság alapfeltétel. Ennek az elvárásnak az aseptikus berendezéseknek és bennük az alkalmazott műszaki berendezéseknek – például szivattyúknak – anyagválasztásban és kialakításban meg kell felelniük. Minden kompromisszum vagy telepítési hiba potenciális későbbi szennyeződési forrást jelent.

A magasnyomású szivattyúk működési elvei homogenizálási alkalmazásokhoz

A magasnyomású szivattyúk, amelyekkel a magasnyomású homogenizáló gépeket felszerelik, szükségesek ahhoz, hogy a folyadékot a szívó oldalról egy adagoló szivattyú (általában centrifugális szivattyú) segítségével nyomásnöveléssel a homogenizáló egységhez (egyszintű vagy kétszintű szelep) juttassák. A homogenizáló szivattyúk három-tól hat szivattyúkocsiból állnak. A folyamatmembránszivattyúk robusztus monoblokk szerkezetükről, valamint a beépített csigaáttételük révén magas hidraulikus teljesítményük mellett magas működési stabilitással rendelkeznek. Az alkalmazás-specifikusan kialakított, kopás- és higiénia-optimalizált folyadékventilek biztosítják a megbízható szállítást a szivattyú szívó- és nyomó oldalán. Az automatikus homogenizáló szelepek beállítása pneumatikus és hidraulikus módon történik. A homogenizálás során keletkező cseppméret főként a második szint kamrájában kialakuló cavitációból ered, és a nyomáseséstől függ. Az oszcilláló membránfolyadékszivattyú szállítási mennyisége nem jelentősen csökken a nyomás növekedésével, és szinte állandónak tekinthető. A nyomás-ingadozásokat az oszcilláló szivattyú és a homogenizáló szelep közötti pulzációk kiegyenlítésével lehet kezelni: a szivattyú működési pontjainak megfelelő kiválasztásával és a csővezeték oldali csillapító intézkedésekkel. A pulzációs tanulmányok során speciális dinamikus szimulációs programok segítenek a tervezésben.

Az UHT kezelés utáni homogenizálási feladatokhoz a homogenizáló szivattyúnak és szelepnek aseptikus követelményeknek kell megfelelnie, hogy megőrizzék a feldolgozott termékek integritását. Sok ma is alkalmazott szivattyú azonban általában dugattyús szivattyú. Ezen típus esetében figyelembe kell venni, hogy a dugattyúcsomagolások sterilbarrier-ekkel és öblítőberendezésekkel vannak kialakítva, hogy megakadályozzák a visszafertőződést a CIP/SIP folyamat utáni tisztítás során. Emellett a szivattyúk dugattyúkopásából eredő szennyeződés sem zárható ki. Az aseptikus folyamatok jobb választása a hermetikusan zárt folyamatmembránszivattyúk alkalmazása homogenizálási lépésekben.

A membránszivattyú technológia kizárja a folyadék szennyeződését

A membránszivattyú a dugattyús szivattyú sikeres továbbfejlesztése, amely – a Triplex-membránszivattyúk (három szivattyúkocsi) esetében – akár 95 százalékos hatékonyságot ér el. Általában alacsony kopású, és a szállítási nyomástól szinte független szállítási mennyiséget biztosít. A homogenizálás szempontjából nagy előnye, hogy a membránszivattyúk konstrukciójukból adódóan nem működnek dinamikus tömítési rendszerekkel. Ez garantálja a hermetikusan zárt munkateret: nincs kibocsátás vagy anyagkiáramlás kifelé, illetve mikroorganizmus-behatolás befelé, így a folyadék szennyeződése kizárható. Ezért a membránszivattyúk alkalmasak igényes alkalmazásokhoz, például olyan közeg szállítására, amelynek teljesen szivárgásmentesnek és biztonságosnak kell lennie, mert veszélyes vagy abrazív, és nem szabad, hogy bekerüljön a gyártási környezetbe, vagy – például bébiételek esetében – szennyezésmentes és steril maradjon.

A higiénikus vagy aseptikus alkalmazás további speciális módosításokat igényel a membránszivattyú fején: például megfelelő anyagból készült szivattyúfej, mint az 1.4404 rozsdamentes acél vagy különösen korrózióálló austenit anyagok, például 1.4439 vagy 1.4462 (Duplex), polírozott felületek RA-értéke < 0,8 µm, valamint a holt tér nélküli, spaltmentes folyadéktér lehetővé teszik az ismételt hatékony CIP/SIP tisztítást és steril működést. A konstrukciónak és a telepítésnek lehetővé kell tennie a tisztítási eredmények időszakos ellenőrzését anélkül, hogy a steril interfészek minimalizálását veszélyeztetné. Az európai higiéniai mérnöki tervezési csoport (EHEDG) irányelvei – különösen a dokumentum 17 („Higiénikus tervezés szivattyúk, homogenizálók és gőzölő berendezések számára”) – vagy a 3-A Sanitary Standards 44-03 („Higiénikus szabványok membránszivattyúk számára”) és 04-05 („Higiénikus szabványok homogenizálók és recirkuláló szivattyúk számára”) útmutatást adnak arra, hogyan kell a szivattyúkat az élelmiszeripar számára tervezni és telepíteni. A higiénikus kialakítás szempontjai, mint a tisztíthatóság és az üríthetőség a steril berendezések szivattyúinak, szelepeinek és csővezetékének, valamint a membránszivattyúk steril csatlakozásainak tervezésében, az aktuális ASME BPE szabvány szerint is alkalmazhatók.

A folyamatmembránszivattyúk az adott folyamat követelményei szerint, akár 700 bar nyomásig, EU 10/2011 megfelelőséggel több rétegű PTFE-membránnal is felszerelhetők. Ez a lépés a dugattyús szivattyúkról a membránszivattyúkra való áttérésben jelentősen hozzájárul ahhoz, hogy a tejtermékek esetében a folyamat mikroorganizmusoktól mentesen, a szükséges időtartamon keresztül, a következő CIP/SIP tisztítási ciklusig fenntartható legyen. Az aseptikus folyamatlánc következetes folytatásával hermetikusan zárt magasnyomású membránszivattyúk alkalmasak például a steril tejkoncentrátumok spray-tartályainak töltésére is.