Costruzione ermeticamente sigillata: la tecnologia delle pompe a membrana asettiche garantisce la massima sicurezza di produzione nella lavorazione alimentare

Poiché gli omogeneizzatori a valle dei processi UHT non devono ricontaminare gli alimenti, devono essere utilizzate pompe a membrana ad alta pressione. È importante che le attrezzature siano progettate in modo igienico e installate in modo che possano essere pulite facilmente. (Fonte: LEWA GmbH)

Gli omogeneizzatori ad alta pressione sono costituiti sia da una pompa che funge da generatore di pressione sia da un consumatore idraulico, chiamato valvola di omogeneizzazione. (Fonte: LEWA GmbH)

Lo scopo della pompa è generare l'energia per la dispersione nella valvola di omogeneizzazione, trasportare il fluido da disperdere e garantire la portata precisa nel processo. (Fonte: LEWA GmbH)

Le pompe omogeneizzanti sono dotate di tre a sei teste di pompa. Nei processi asettici, i passaggi di omogeneizzazione e le torri di spruzzo sono equipaggiate con pompe a diaframma di processo ermeticamente sigillate. La loro caratteristica distintiva, dovuta alla costruzione, è il funzionamento senza guarnizioni dinamiche. (Fonte: LEWA GmbH)

Le pompe a membrana di processo si distinguono per una robusta costruzione monoblocco, per un funzionamento fluido grazie all'integrazione di un riduttore a vite senza fine con elevata potenza idraulica e per avere portate che sono indipendenti dalla pressione di scarico. (Fonte: LEWA GmbH)

Il vostro grande vantaggio in termini di omogeneizzazione risiede nel fatto che le pompe a membrana sono progettate per un funzionamento continuo e robusto 24/7 senza usura significativa. Uno spazio di lavoro ermeticamente sigillato consente un processo di pulizia continuo (CIP/SIP) e successivamente processi di produzione senza interruzioni. (Fonte: LEWA GmbH)

Dott. Ing. Hans-Joachim Johl, Gestione del prodotto per l'ingegneria dei processi nelle scienze della vita e processi puliti presso LEWA. (Fonte: LEWA GmbH) / Dott. Ing. Hans-Joachim Johl, Gestione del prodotto per l'ingegneria dei processi nelle scienze della vita e processi puliti presso LEWA. (Fonte: LEWA GmbH)

Il trattamento termico a breve termine viene utilizzato nell'industria alimentare per una vasta gamma di prodotti come latte, bevande miscelate o alimenti liquidi, al fine di eliminare i microrganismi patogeni e prolungare la durata di conservazione dei prodotti. Poiché una omogeneizzazione ad alta pressione dopo un trattamento termico non deve nuocere alla salubrità degli alimenti, in tutte le componenti impiegate si deve prestare attenzione a una costruzione igienica o asettica, alla scelta dei materiali e all'applicazione. Finora, per la tecnologia delle pompe installate, si ricorre generalmente a pompe a pistoni, il cui impiego in termini di sicurezza di produzione asettica rappresenta solo la seconda scelta migliore. Infatti, nonostante la considerazione progettuale di guarnizioni a pistone con barriere sterili e dispositivi di lavaggio, esiste il rischio di rifrequentazione dopo una pulizia CIP/SIP in processo. Inoltre, la conseguente sollecitazione termica porta a un'usura aumentata del pistone e del sistema di tenuta, riducendo notevolmente la durata operativa – in particolare con ingredienti abrasivi presenti negli alimenti trattati. Un'alternativa sono le pompe a membrana di processo: dispongono di un volume di lavoro ermeticamente sigillato, separato tramite membrana dalla camera idraulica e dall'ambiente di processo. Ciò impedisce la contaminazione del fluido all’interno e quindi evita la contaminazione del volume di processo, inclusi gli alimenti.

Listeria nel formaggio, Escherichia coli nella carne e Salmonella nel latte per bambini – recentemente si sono verificati numerosi scandali alimentari e richiami di prodotti di grandi produttori che danneggiano la reputazione. Ciò sensibilizza sempre più i consumatori e aumenta la pressione sul settore: specialmente per prodotti igienicamente delicati e sensibili, è indispensabile prestare ancora maggiore attenzione a una produzione senza lacune e a processi igienici impeccabili, per garantire l'integrità microbiologica. In linea di principio vale: buona qualità microbiologica e lunga stabilità, in accordo con alte aspettative dei clienti – ad esempio per caratteristiche gustative ottimali, salute e sostenibilità del prodotto – rendono necessari processi di produzione delicati e affidabili in modo asettico. Il trattamento termico a breve termine (procedura UHT) e una tecnologia asettica posteriore coerente possono offrire una soluzione affidabile dal punto di vista tecnologico alimentare.

Nuove tendenze nel settore alimentare e delle bevande come i prodotti "naturali" pronti da mangiare innovativi pongono sfide alla filiera di approvvigionamento alimentare in termini di sicurezza alimentare. Ciò vale non solo per aspettative crescenti di freschezza e assenza di additivi e conservanti, che richiedono investimenti diversi rispetto ai processi di produzione precedenti. Si aggiungono anche prodotti crossover tra settore alimentare e farmaceutico, come le cosiddette "bevande nutrizionali" pronte da bere, che talvolta contengono alte percentuali di solidi abrasivi (ad esempio calcio e noci) o ingredienti microbiologicamente sensibili. Per la loro produzione, sono vantaggiose le esperienze nel settore GMP farmaceutico: vengono combinati integratori alimentari con fonti di proteine del latte funzionali, frutta e aromi in bevande innovative, che richiedono particolare attenzione nella produzione in funzione dei loro valori di acidità e pH. Questi requisiti elevati sono anche specificamente applicabili alla formulazione di alimenti per neonati e di alimenti clinici ipercalorici (nutrizione enterale/parenterale). Durante la lavorazione, le tecnologie di pompaggio assumono un ruolo centrale: ad esempio per l’approvvigionamento delle materie prime e la formulazione secondo ricetta, tra cui il dosaggio proporzionale e la miscelazione degli ingredienti. Poiché i prodotti finiti devono essere idealmente conservati a temperatura ambiente e durare a lungo, si consiglia anche qui un breve trattamento termico come tecnologia ottimale con alta capacità di eliminazione di agenti patogeni – in combinazione con una successiva omogeneizzazione ad alta pressione asettica tramite tecnologia di pompe a membrana. Ciò previene la ricontaminazione e garantisce una lavorazione delicata del prodotto.

Assenza di residui e sicurezza microbiologica nell’omogeneizzazione ad alta pressione

L’omogeneizzazione ad alta pressione rappresenta un campo di applicazione particolarmente complesso per la tecnologia delle pompe: gli impianti impiegati sono costituiti, oltre che da una pompa ad alta pressione come generatore di pressione, anche da un elemento idraulico chiamato valvola di omogeneizzazione. Il compito della pompa è di fornire l’energia per la dispersione nella valvola, di trasportare il fluido da disperdere e di garantire la portata esatta nel processo. In generale, gli omogeneizzatori possono essere grossolanamente suddivisi in diverse fasi:

1) Omogeneizzazione a bassa/media pressione: 50 - 500 bar (tipicamente nell’industria alimentare, circa 400 bar con tendenza crescente)
2) Omogeneizzazione a media pressione: 500 - 700 bar (nelle industrie chimiche, cosmetiche e altre)
3) Omogeneizzazione ad alta pressione: 700 - 2000 bar (ad esempio per la rottura cellulare e il rilascio di metaboliti nell’industria biotecnologica o per la produzione di liposomi privi di pirogeni nella formulazione farmaceutica)
4) Omogeneizzazione a ultra alta pressione: 2000 - 40.000 bar (per la distruzione di microrganismi e la conservazione degli alimenti)

L’obiettivo principale dell’omogeneizzazione ad alta pressione è la riduzione e la miscelazione di componenti in un’emulsione o dispersione. Il esempio più noto è l’omogeneizzazione del latte, che mira a prevenire l’agglomerazione dei grassi (formazione di crema). La tecnologia impiegata non deve compromettere la qualità dei prodotti. Questo è particolarmente importante per gli alimenti per neonati: l’obiettivo è di avvicinare le caratteristiche del latte materno attraverso la scelta dei componenti durante la produzione. La completa assenza di residui e la massima sicurezza microbiologica sono prerequisiti fondamentali. Questi requisiti devono essere soddisfatti dagli impianti asettici e dalle apparecchiature di processo, come le pompe, in termini di scelta dei materiali e di progettazione. Ogni compromesso o errore di installazione rappresenta una potenziale fonte di contaminazione futura.

Principi di funzionamento delle pompe ad alta pressione per applicazioni di omogeneizzazione

Le pompe ad alta pressione oscillanti, utilizzate nelle macchine di omogeneizzazione ad alta pressione, sono necessarie per trasportare il fluido dalla parte di aspirazione, tramite una pompa di alimentazione (solitamente una pompa centrifuga), alla unità di omogeneizzazione (valvola a uno o due stadi) mediante aumento di pressione. Le pompe di omogeneizzazione sono dotate di tre fino a sei cilindri. Le pompe a membrana di processo si distinguono per una costruzione monoblocco robusta e, grazie al riduttore di ingranaggi integrato, per un’elevata potenza idraulica e un funzionamento stabile. Le valvole di fluido ottimizzate per l’applicazione, progettate per usura e igiene, garantiscono un trasporto affidabile sia sul lato aspirazione che su quello di pressione. La regolazione automatica delle valvole di omogeneizzazione avviene pneumaticamente e idraulicamente. La formazione di gocce durante l’omogeneizzazione si verifica principalmente a causa di cavitazione nella camera di secondo stadio ed è dipendente dalla caduta di pressione in quella zona. La portata di una pompa a membrana oscillante è praticamente costante anche con fluidi incompressibili, anche all’aumentare della pressione. Le variazioni di pressione tra la pompa oscillante e la valvola di omogeneizzazione possono essere compensate con misure di smorzamento delle pulsazioni: scegliendo correttamente i punti di esercizio della pompa e adottando misure di ammortizzazione lungo le tubazioni. In uno studio sulle pulsazioni, programmi di simulazione dinamica molto specifici possono supportare la progettazione.

Per applicazioni di omogeneizzazione dopo un trattamento UHT, la pompa di omogeneizzazione e la valvola devono rispettare rigorosi requisiti asettici per preservare l’integrità dei prodotti trattati. La maggior parte delle pompe attualmente in uso sono pompe a pistoni. Per questo tipo di apparecchiature, è importante prevedere guarnizioni a pistone con barriere sterili e dispositivi di lavaggio per prevenire la rifrequentazione dopo una pulizia CIP/SIP in processo. Inoltre, non si può escludere la contaminazione da usura dei pistoni nelle guarnizioni di questa classe di pompe. La scelta migliore per processi asettici è quindi l’impiego di pompe a membrana di processo ermeticamente sigillate.

La tecnologia delle pompe a membrana evita la contaminazione del fluido

La pompa a membrana può essere considerata un’evoluzione di successo della pompa a pistoni, raggiungendo un’efficienza fino al 95% per le cosiddette pompe a membrana triplex (tre cilindri). Si caratterizza per un’usura ridotta e per portate che sono quasi indipendenti dalla pressione di esercizio. Il suo grande vantaggio in termini di omogeneizzazione è che, per costruzione, le pompe a membrana operano senza sistemi di tenuta dinamici. Di conseguenza, si garantisce un volume di lavoro ermeticamente sigillato: non ci sono emissioni o perdite di substrato verso l’esterno, né ingressi di microrganismi dall’interno, rendendo impossibile la contaminazione del fluido. La pompa a membrana è quindi adatta per applicazioni esigenti. È ideale, ad esempio, per fluidi che devono essere trasportati senza perdite e in modo sicuro, perché pericolosi o abrasivi e assolutamente da mantenere lontani dall’ambiente di produzione, o come nel caso del latte per neonati, devono rimanere privi di contaminazioni e sterili.

Un’applicazione igienica o asettica richiede ulteriori adattamenti specifici alla testa della pompa a membrana: materiali appropriati come acciaio inossidabile 1.4404 o altri materiali resistenti alla corrosione, come 1.4439 o 1.4462 (Duplex), superfici lucidate con un valore RA < 0,8 µm e volumi di fluido privi di zone morte e spazi di separazione, consentono ripetuti cicli di pulizia CIP/SIP efficienti e garantiscono un funzionamento sterile senza smontaggi. La progettazione e l’installazione della pompa devono comunque permettere controlli periodici dei risultati di pulizia, senza compromettere la minimizzazione delle interfacce sterili nella gestione delle tubazioni. Linee guida come quelle del European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) – in particolare il documento 17 ("Hygienic Design of Pumps, Homogenizers and Dampening Devices") – o gli standard sanitari 3-A 44-03 ("Sanitary Standards for Diaphragm Pumps") e 04-05 ("Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating Pumps") forniscono indicazioni su come progettare e installare le pompe per l’industria alimentare. Aspetti di progettazione igienica relativi a pulizia e svuotamento di pompe, valvole e tubazioni di impianti sterili per l’allestimento di collegamenti di processo asettici di pompe a membrana possono essere tratti anche dallo standard ASME BPE nella sua versione vigente.

Le pompe a membrana di processo possono essere equipaggiate, a seconda delle esigenze di processo e del livello di pressione richiesto, con membrane in PTFE multilayer conformi alla norma EU 10/2011 (fino a 700 bar). Questo passaggio dalla tecnologia a pistoni a quella a membrana contribuisce significativamente, nel caso di prodotti lattiero-caseari, a mantenere un processo senza microrganismi indesiderati per il tempo necessario fino alla prossima campagna di pulizia CIP/SIP. In un processo asettico coerente, anche le pompe a membrana ad alta pressione ermeticamente sigillate sono adatte a alimentare vapore sterile e particolarmente sensibile ai prodotti lattiero-caseari concentrati, garantendo un funzionamento sterile e igienico.