Hermetisch dichte Konstruktion: Aseptische Membranpumpentechnik sorgt für höchste Produktionssicherheit in der Lebensmittelherstellung

Omdat de homogenisatoren die na het UHT-proces worden geplaatst de levensmiddelen niet opnieuw mogen besmetten, moeten hoogdrukmembraanpompen worden gebruikt. Bij de bevestigingen moet worden gelet op een hygiënische constructie en een reinigingsvriendelijke installatie. (Bron: LEWA GmbH)

Hochdruckhomogenisierer bestaan naast een pomp als drukgenerator ook uit een hydraulische verbruiker, het zogenaamde homogenisatieventiel. (Bron: 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)

Het doel van de pomp is het leveren van de energie voor dispersie in het homogenisatieventiel, het transporteren van de te disperseren vloeistof en het zorgen voor de exacte doorstroming in het proces. (Bron: LEWA GmbH)

Homogenisatorpompen beschikken over drie tot zes pompkoppen. Bij aseptische processen worden homogenisatiestappen en spuittorens uitgerust met hermetisch sluitende procesdiafragmapompen. Hun ontwerp kenmerkt zich door een werking zonder dynamische afdichtingen. (Bron: LEWA GmbH) / Homogenization pumps are equipped with three to six pump heads. Aseptic processes are equipped with homogenization steps and spray towers with hermetically tight process diaphragm pumps. Their designs stand out for the fact that they function without dynamic seals. (Source: LEWA GmbH)

Prozessmembranpumpen zeichnen sich durch eine robuste Monoblockbauweise, eine hohe Laufruhe aufgrund des integrierten Schneckengetriebes mit hoher hydraulischer Leistung sowie durch vom Förderdruck unabhängige Fördermengen aus. (Quelle: LEWA GmbH) / Process diaphragm pumps stand out for their robust mono-block design, for their smooth running thanks to the integrated worm gear with high hydraulic output and for having flow rates that are independent of the discharge pressure. (Source: LEWA GmbH)

Uw grote voordeel met betrekking tot de homogenisatie is dat membraanpompen constructiegebonden zijn ontworpen voor een robuuste 24/7 doorlopende werking zonder significante slijtage. Een hermetisch afsluitbare werkruimte maakt een continu reinigingsproces (CIP/SIP) mogelijk en zorgt daarna voor onderbrekingsvrije productieprocessen. (Bron: 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)

De thermische kortstondige behandeling wordt in de voedingsmiddelenindustrie toegepast voor diverse producten zoals melk, gemengde dranken of vloeibare voedingsmiddelen, om pathogene micro-organismen te doden en de houdbaarheid van de producten te verlengen. Aangezien een hoogdrukhomogenisatie na een thermische behandeling geen voedsel opnieuw mag verontreinigen, moet bij alle gebruikte componenten op een hygiënische of aseptische constructie, materiaalkeuze en toepassing worden gelet. Tot nu toe wordt bij de gebruikte pomptechniek meestal gebruikgemaakt van zuigerpompen, waarvan het gebruik met het oog op aseptere productveiligheid slechts de op één na beste keuze is. Want ondanks constructieve overwegingen van zuigerafdichtingen met sterilisatiebarrières en spoelvoorzieningen bestaat het risico op terugverontreiniging na een CIP/SIP-reiniging in het proces. Ook leidt de daardoor ontstane thermische belasting tot verhoogde slijtage van de zuiger en het afdichtingssysteem, waardoor de standtijd sterk wordt verminderd – vooral bij abrasieve ingrediënten van de behandelde voedingsmiddelen. Een alternatief vormen procesmembraanpompen: zij beschikken over een hermetisch afgesloten werkruimte, die via het membraan volledig gescheiden is van de hydraulische ruimte en de procesomgeving. Dit voorkomt vervuiling van de vloeistofruimte van binnenuit en sluit zo besmetting van de procesruimte inclusief de voedingsmiddelen uit.

Listeria in kaas, E. coli-bacteriën in vlees en salmonella in zuigelingenvoeding – de laatste tijd nemen voedselveiligheidsincidenten en terugroepacties van grote fabrikanten toe, wat de consument steeds meer sensibiliseert en de druk op de sector verhoogt: vooral bij hygiënisch veeleisende en gevoelige producten is het daarom onmisbaar om nog nauwkeuriger te letten op een ononderbroken productiewereld met perfect hygiënische processtappen om de microbiologische integriteit te waarborgen. Daarbij geldt in het algemeen: goede microbiologische kwaliteit en lange stabiliteit in overeenstemming met hoge klantverwachtingen – bijvoorbeeld op het gebied van goede smaakeigenschappen, gezondheid en duurzaamheid van het product – maken zachte en betrouwbare aseptische productieprocessen noodzakelijk. Thermische kortstondige behandeling (UHT-proces) en consequente, daaropvolgende aseptische techniek kunnen hiervoor een voedseltechnologisch betrouwbare oplossing bieden.

Nieuwe trends in de food- en beverage-sector, zoals 'natuurlijk' en innovatieve kant-en-klare producten, stellen de voedselvoorzieningsketen voor de uitdaging van voedselveiligheid. Dit geldt niet alleen voor toenemende verwachtingen op het gebied van versheid en het ontbreken van additieven en conserveermiddelen, waardoor andere investeringen in productietechnologie nodig worden dan bij eerdere productieprocessen. Daarnaast komen crossover-producten tussen voedingsmiddelen en farmaceutica, zoals drinkbare 'voedingssupplementen', die soms hoge abrasieve vaste stoffen (bijvoorbeeld door calcium en noten) of microbiologisch gevoelige ingrediënten bevatten. Voor de productie hiervan zijn ervaringen uit de farmaceutische GMP-omgeving voordelig: hierbij worden voedingssupplementen gecombineerd met functionele melkproteïnebronnen, fruit en aroma's tot nieuwe dranken, die afhankelijk van hun zuur- en pH-waarden bijzondere aandacht vereisen tijdens de productie. Aan deze hoge eisen moeten ook de formulering van zuigelingenvoeding en calorierijke klinische voeding (Enterale/Parenterale vloeistoffen) voldoen. Bij de verwerking krijgen vooral pomptechniek centrale taken: bijvoorbeeld bij de toevoer van ruwe materialen en het formuleren volgens receptuur; waaronder het proportioneel doseren en mengen van ingrediënten. Omdat de eindproducten idealiter bij kamertemperatuur worden opgeslagen en lang houdbaar moeten blijven, wordt hier ook een korte thermische behandeling aanbevolen als optimale technologie met een hoge afname van vreemde kiemen – in combinatie met een daaropvolgende aseptische hoogdrukhomogenisatie met membraanpomortechnologie. Dit voorkomt herverontreiniging en garandeert een zachte productbehandeling.

Restvrijheid en microbiële veiligheid bij hoogdrukhomogenisatie

De hoogdrukhomogenisatie is een bijzonder veeleisend toepassingsgebied voor pomptechniek: de daarvoor gebruikte installaties bestaan naast een hoogdrukpomp als drukgenerator ook uit een hydraulisch verbruiker, het zogenaamde homogenisatieventiel. De taak van de pomp is het leveren van de energie voor de dispersie in het ventiel, het transporteren van de te disperseren vloeistof en het zorgen voor de exacte doorstroomhoeveelheid in het proces. In grote lijnen kunnen homogenisatoren worden onderverdeeld in de volgende fasen:

1) Laag-/midden-drukhomogenisatie: 50 - 500 bar (typisch in de voedingsmiddelenindustrie, bijvoorbeeld rond de 400 bar met stijgende tendens)
2) Midden-drukhomogenisatie: 500 - 700 bar (in chemische, cosmetische en andere industrieën)
3) Hoogdrukhomogenisatie: 700 - 2.000 bar (bijvoorbeeld voor cellyse voor metabolietvrijgave in de biotechnologische industrie of de pyrogenvrije productie van liposomen in farmaceutische formuleringen)
4) Ultralage drukhomogenisatie: 2.000 - 40.000 bar (voor de vernietiging van kiemen/conservering van voedingsmiddelen)

De hoogdrukhomogenisatie dient in wezen voor het verkleinen en mengen van componenten in een emulsie of dispersie. Het bekendste voorbeeld hiervan is melkhomogenisatie, waarbij de vetaggregatie (oprahmen) wordt voorkomen. Daarbij mag de gebruikte techniek de kwaliteit van de producten niet schaden. Dit geldt vooral voor zuigelingenvoeding: hier is het doel om door middel van de keuze van componenten de eigenschappen van moedermelk zo dicht mogelijk te benaderen. Absolute restvrijheid en hoogste microbiële veiligheid zijn hiervoor fundamentele vereisten. Aan deze eisen moeten de aseptische installaties en de daarin ingebouwde procestechnische apparaten – zoals bijvoorbeeld de pompen – voldoen qua materiaalkeuze en constructie. Elke compromis of installatiefout vormt een potentiële latere bron van contaminatie.

Werkingsprincipes van hoogdrukpompen voor homogenisatie

De oscillatiehoogdrukpompen waarmee de hoogdrukhomogenisatiemachines zijn uitgerust, zijn noodzakelijk om het vloeistof van de zuigzijde via een toevoerpomp (meestal een centrifugaalpomp) met drukverhoging naar de homogenisatie-eenheid (één- of tweefasig ventiel) te brengen. Homogenisatorpompen zijn uitgerust met drie tot zes pompen. Procesmembraanpompen kenmerken zich door een robuuste monoblokbouw en door de hoge hydraulische prestaties van de geïntegreerde wormaandrijving, die zorgen voor een hoge looprust. Toepassingsspecifiek ontworpen slijtage- en hygiënegeoptimaliseerde vloeistofventielen zorgen voor betrouwbare doorvoer aan de zuig- en drukzijde van de pomp. De instelling van geautomatiseerde homogenisatieventielen gebeurt pneumatisch en hydraulisch. De druppelgrootte die ontstaat tijdens het homogeniseren, wordt in wezen veroorzaakt door cavitatie in de kamer van de tweede fase en hangt af van de drukval daar. De doorstroomhoeveelheid van een oscillerende membraanprocespomp neemt bij niet-Compressibele vloeistoffen slechts marginaal af bij toenemende druk en kan als vrijwel constant worden beschouwd. Drukschommelingen tussen oscillatiepomp en homogenisatieventiel kunnen worden tegengegaan door pulsatie-dempende maatregelen: door de juiste keuze van de bedrijfsinstellingen van de pomp en door dempingsmaatregelen in de leiding. Tijdens een pulsatiestudie kunnen zeer specifieke dynamische simulatieprogramma's worden gebruikt om de installatie te optimaliseren.

Voor homogenisatietaken na een UHT-behandeling moeten de homogenisepomp en het homogenisatieventiel consequent voldoen aan aseptische eisen, zodat de integriteit van de behandelde producten behouden blijft. Veel van de momenteel nog gebruikte pompen zijn echter meestal zuigerpompen. Bij dit type apparaat moet worden opgemerkt dat zuigerafdichtingen met sterilisatiebarrières en spoelvoorzieningen constructief moeten worden voorzien om herverontreiniging na een CIP/SIP-reiniging te voorkomen. Daarnaast kunnen verontreinigingen door zuigerafslijting in het afdichtingsgebied niet worden uitgesloten bij deze pompfamilie. De betere keuze voor aseptische processen is daarom het gebruik van hermetisch afsluitbare procesmembraanpompen in homogenisatiestappen.

Membraanpomortechnologie sluit vloeistofverontreiniging uit

De membraanpomp wordt beschouwd als een succesvolle verdere ontwikkeling van de zuigerpomp, die – wat betreft zogenaamde triplex-membraanpompen (drie pompen) – een rendement tot wel 95 procent bereikt. Ze onderscheidt zich in het algemeen door een geringe slijtage en door volumestromen die vrijwel onafhankelijk zijn van de druk. Het grote voordeel in verband met homogenisatie ligt in dat membraanpompen door hun constructie zonder dynamische afdichtingssystemen werken. Zo is een hermetisch afgesloten werkruimte gegarandeerd: er is geen emissie of substrataustroom naar buiten, noch een kiemtoegang van binnenuit, waardoor vervuiling van het vloeistof uitgesloten is. Daarom zijn membraanpompen geschikt voor veeleisende toepassingen. Ze zijn bijvoorbeeld geschikt voor media die absoluut lekvrij en veilig moeten worden getransporteerd omdat ze gevaarlijk of abrasief zijn en niet in de productieruimte mogen komen, of – zoals bij zuigelingenvoeding – steriel en contaminatievrij moeten blijven.

Een hygiënische of aseptische toepassing vereist aanvullende speciale aanpassingen aan het membraanpompkop: geschikt pompkopmateriaal zoals roestvrij staal 1.4404 of alternatieven uit bijzonder corrosiebestendige austenitische materialen zoals bijvoorbeeld 1.4439 of 1.4462 (duplex), gepolijste oppervlakken met een RA-waarde < 0,8 µm en dode-ruimte- en spleetvrije vloeistofkamers kunnen herhaalde efficiënte CIP/SIP-reinigingsstappen mogelijk maken en zo een steriele werking zonder demontage garanderen. De constructie en installatie van de pomp moeten echter periodieke controle van de reinigingsresultaten mogelijk maken, zonder het minimaliseren van steriele interfaces in de leidingvoering uit het oog te verliezen. Richtlijnen zoals die van de European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) – met name document 17 ('Hygienic Design of Pumps, Homogenizers and Dampening Devices') – of de 3-A Sanitary Standards 44-03 ('Sanitary Standards for Diaphragm Pumps') en 04-05 ('Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating Pumps') geven aanwijzingen over hoe pompen voor de voedingsmiddelenindustrie moeten worden ontworpen en geïnstalleerd. Hygiënische constructieaspecten met betrekking tot reiniging en ontluchting van pompen, ventielen en leidingen van steriele installaties voor de aseptische procesaansluitingen van membraanpompen kunnen ook worden afgeleid uit de standaard ASME BPE in de geldende versie.

Procesmembraanpompen kunnen afhankelijk van de procesvereisten en de benodigde drukklasse worden uitgerust met een EU 10/2011-conforme, meerlagige PTFE-membraan (tot 700 bar). Deze overstap van zuiger- naar membraanpompen draagt bij aan melkproducten aanzienlijk bij aan het kunnen voortzetten van een proces zonder ongewenste micro-organismen gedurende de benodigde procesduur tot de volgende CIP/SIP-reinigingscampagne. In een consequente voortzetting van een aseptisch proces zijn hermetisch afsluitbare hoogdrukmembraanpompen eveneens geschikt om spuitdoppen te voeden met aseptische en bijzonder hygiënisch gevoelige melkconcentraten.