Hermetyczna konstrukcja: Technologia aseptycznej membranowej pompy zapewnia najwyższy poziom bezpieczeństwa produkcji w przemyśle spożywczym

Ponieważ homogenizatory zlokalizowane po procesie UHT nie mogą ponownie zanieczyszczać żywności, należy stosować wysokociśnieniowe pompy membranowe. Należy zadbać, aby elementy montażowe miały higieniczną konstrukcję i były zamontowane w taki sposób, aby można je było łatwo wyczyścić. (Źródło: LEWA GmbH)

Homogenizatory wysokociśnieniowe składają się zarówno z pompy pełniącej funkcję generatora ciśnienia, jak i z hydraulicznego odbiornika, którym jest zawór homogenizacyjny. (Źródło: LEWA GmbH)

Cel pompy polega na dostarczeniu energii do rozproszenia w zaworze homogenizacyjnym, transportowaniu rozproszonego płynu oraz zapewnieniu precyzyjnej ilości przepływu w procesie. (Źródło: LEWA GmbH) / The purpose of the pump is to generate the energy for dispersion in the homogenization valve, to convey the fluid being dispersed and to ensure the exact flow rate in the process. (Source: LEWA GmbH)

Pompy homogenizujące posiadają od trzech do sześciu głowic pompowych. W procesach aseptycznych stosuje się kroki homogenizacji oraz wieże natryskowe wyposażone w hermetycznie szczelne pompy membranowe do procesów. Ze względu na konstrukcję charakteryzują się brakiem dynamicznych uszczelek w swojej pracy. (Źródło: 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)

Pompy membranowe procesowe wyróżniają się solidną konstrukcją monobloku, wysoką płynnością pracy dzięki zintegrowanemu przekładni ślimakowej o dużej wydajności hydraulicznej oraz możliwością regulacji przepływu niezależnie od ciśnienia tłoczenia. (Źródło: LEWA GmbH)

Waszą dużą zaletą w zakresie homogenizacji jest fakt, że pompy membranowe są konstrukcyjnie przystosowane do solidnej pracy ciągłej 24/7 bez znaczącego zużycia. Hermetycznie szczelna przestrzeń robocza umożliwia ciągły proces czyszczenia (CIP/SIP), a następnie nieprzerwane procesy produkcyjne. (Źródło: LEWA GmbH) / W zastosowaniach homogenizacyjnych ogromną korzyść stanowi fakt, że pompy membranowe są zaprojektowane do niezawodnej pracy ciągłej 24/7 bez znacznego zużycia. Hermetycznie szczelna przestrzeń robocza pozwala na ciągły proces czyszczenia (CIP/SIP), a następnie na nieprzerwaną produkcję. (Źródło: LEWA GmbH)

Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Produktmanagement Verfahrenstechnik Life Sciences/Clean Processes bei LEWA. (Quelle: LEWA GmbH) / Dr.-Ing. Hans-Joachim Johl, Product Management Process Engineering Life Sciences/Clean Processes bei LEWA. (Quelle: LEWA GmbH)

Termiczna krótkoterminowa obróbka jest stosowana w przemyśle spożywczym do różnych produktów, takich jak mleko, napoje mieszane czy płynne produkty spożywcze, w celu zniszczenia patogennych mikroorganizmów i wydłużenia trwałości produktów. Ponieważ wysokociśnieniowa homogenizacja po obróbce termicznej nie może ponownie zanieczyścić żywności, należy zwrócić uwagę na higieniczną lub aseptyczną konstrukcję, dobór materiałów oraz aplikację wszystkich używanych komponentów. Dotychczas w technice pomp stosuje się zazwyczaj pompy tłokowe, których użycie w kontekście zapewnienia aseptycznej produkcji jest tylko drugim wyborem. Pomimo konstrukcyjnego uwzględnienia uszczelek tłokowych z barierami sterylnymi i urządzeń spłukujących, istnieje ryzyko ponownego zanieczyszczenia po czyszczeniu CIP/SIP w trakcie procesu. Dodatkowo, wynikające z tego obciążenie termiczne prowadzi do zwiększonego zużycia tłoka i jego systemu uszczelniającego, co znacznie skraca ich żywotność – szczególnie w przypadku ściernych składników w przetwarzanych produktach spożywczych. Alternatywą są pompy membranowe procesowe: posiadają hermetycznie zamkniętą przestrzeń roboczą, oddzieloną od hydraulicznej przestrzeni i środowiska procesu za pomocą membrany. Zapobiega to zanieczyszczeniu płynu wewnątrz i wyklucza kontaminację przestrzeni procesu, w tym żywności.

Listeria w serze, bakterie E. coli w mięsie oraz salmonella w mleku dla niemowląt – ostatnio coraz częściej pojawiają się skandale spożywcze i wycofania produktów przez renomowanych producentów. To coraz bardziej uświadamia konsumentów i zwiększa presję na branżę: szczególnie w przypadku produktów higienicznie wymagających i wrażliwych konieczne jest jeszcze dokładniejsze dbanie o pełną higienę produkcji i bezbłędne procesy higieniczne, aby zapewnić mikrobiologiczną integralność. Zasadniczo obowiązuje: dobra jakość mikrobiologiczna i długotrwała stabilność, zgodnie z wysokimi oczekiwaniami klientów – na przykład w zakresie dobrych właściwości smakowych, zdrowotnych i zrównoważonego rozwoju produktu – wymagają stosowania delikatnych i niezawodnych procesów aseptycznych. Termiczna krótkoterminowa obróbka (metoda UHT) i konsekwentna aseptyczna technologia po niej mogą stanowić technologiczną, niezawodną w przemyśle spożywczym, rozwiązanie.

Nowe trendy w branży żywności i napojów, takie jak „naturalne” innowacyjne produkty gotowe do spożycia, stawiają wyzwania dla łańcucha dostaw żywności pod kątem bezpieczeństwa żywności. Dotyczy to nie tylko rosnących oczekiwań wobec świeżości oraz braku dodatków i konserwantów, co wymaga innych inwestycji w technologię produkcji niż w przypadku wcześniejszych procesów. Do tego dochodzą produkty crossover między sektorem spożywczym a farmaceutycznym, takie jak gotowe do picia „napoje odżywcze”, które mogą zawierać wysokie ilości ściernych składników (np. wapń i orzechy) lub składniki mikrobiologicznie wrażliwe. Do ich produkcji przydatne są doświadczenia z branży farmaceutycznej GMP: łączenie składników odżywczych z funkcjonalnymi źródłami białka mleka, owocami i aromatami w nowatorskie napoje, które w zależności od kwasowości i pH wymagają szczególnej uwagi podczas produkcji. Te wysokie wymagania dotyczą również formulacji żywności dla niemowląt i wysokokalorycznego żywienia klinicznego (doustnego/pozajelitowego). Podczas przetwarzania kluczową rolę odgrywa technika pomp: na przykład przy podawaniu surowców i formulacji zgodnie z recepturą, w tym proporcjonalnym dozowaniu i mieszaniu składników. Ponieważ końcowe produkty powinny być przechowywane w temperaturze pokojowej i długo zachować trwałość, również tutaj zaleca się krótką obróbkę termiczną jako optymalną technologię z wysoką skutecznością eliminacji obcych drobnoustrojów – w połączeniu z późniejszą aseptyczną wysokociśnieniową homogenizacją z technologią membranową. Zapobiega to ponownemu zanieczyszczeniu i zapewnia delikatne traktowanie produktu.

Bezpozostałościowa i mikrobiologiczna bezpieczeństwo podczas wysokociśnieniowej homogenizacji

Wysokociśnieniowa homogenizacja jest szczególnie wymagającym obszarem zastosowania dla techniki pomp: używane urządzenia składają się oprócz wysokociśnieniowej pompy jako źródła ciśnienia, również z hydraulicznego elementu roboczego, tzw. zaworu homogenizacyjnego. Zadaniem pompy jest dostarczenie energii do rozproszenia w zaworze, transportu płynu poddawanego rozproszeniu i zapewnienia dokładnej ilości podawanej w procesie. Ogólnie, homogenizatory można podzielić na następujące etapy:

1) Homogenizacja niskiego/średniego ciśnienia: 50 - 500 barów (zwykle w przemyśle spożywczym, np. około 400 barów, z tendencją wzrostową)
2) Homogenizacja średniego ciśnienia: 500 - 700 barów (w chemicznym, kosmetycznym i innych przemysłach)
3) Homogenizacja wysokiego ciśnienia: 700 - 2000 barów (np. do rozbicia komórek w celu uwolnienia metabolitów w biotechnologii lub produkcji liposomów bezpyrogennych w farmacji)
4) Ultrawysokociśnieniowa homogenizacja: 2000 - 40 000 barów (do eliminacji drobnoustrojów i konserwacji żywności)

Podstawowym celem wysokociśnieniowej homogenizacji jest rozdrabnianie i mieszanie składników w emulsji lub zawiesinie. Najbardziej znanym przykładem jest homogenizacja mleka, której celem jest zapobieganie aglomeracji tłuszczu (tworzeniu się kożucha). Technologia używana do tego nie powinna wpływać negatywnie na jakość produktów. Dotyczy to szczególnie mleka dla niemowląt: celem jest, aby składniki produkcji jak najbliżej odzwierciedlały właściwości mleka matki. Bezpozostałościowa i najwyższa mikrobiologiczna bezpieczeństwo są podstawowymi wymogami. Te wymagania muszą spełniać aseptyczne urządzenia i zamontowane w nich aparaty technologiczne – na przykład pompy – pod względem doboru materiałów i konstrukcji. Każdy kompromis lub błąd montażowy stanowi potencjalne źródło późniejszego zanieczyszczenia.

Zasady działania wysokociśnieniowych pomp do zastosowań homogenizacyjnych

Oscylujące pompy wysokociśnieniowe, które wyposażone są w maszyny do homogenizacji wysokociśnieniowej, są niezbędne do podnoszenia płynu z ssania przez pompę zasilającą (zwykle wirnikową) do jednostki homogenizacyjnej (zawór jedno- lub dwustopniowy). Pompy homogenizacyjne wyposażone są w od trzech do sześciu głowic pomp. Procesowe pompy membranowe charakteryzują się solidną konstrukcją monoblokową oraz wysoką wydajnością hydraulicznej dzięki zintegrowanemu przekładni ślimakowej. Specjalnie dostosowane do zastosowań, zużycie i higiena optymalizujące zawory płynowe zapewniają niezawodne podawanie na ssaniu i stronie ciśnienia pompy. Ustawianie automatycznych zaworów homogenizacyjnych odbywa się pneumatycznie i hydraulicznie. Wielkość kropli podczas homogenizacji powstaje głównie wskutek kawitacji w komorze drugiego stopnia i zależy od spadku ciśnienia w tym miejscu. Ilość podawanego płynu przez oscylującą pompę membranową jest nieznacznie zmienna przy wzroście ciśnienia i można ją traktować jako prawie stałą. Wahania ciśnienia między pompą oscylującą a zaworem homogenizacyjnym można zniwelować za pomocą środków wygładzających pulsacje: poprzez odpowiedni dobór punktów pracy pompy oraz tłumienie drgań w układzie rurowym. W ramach badania pulsacji mogą wspierać specjalistyczne programy symulacyjne podczas projektowania.

W przypadku homogenizacji po obróbce UHT pompa homogenizacyjna i zawór muszą spełniać wymagania aseptyczne, aby zachować integralność przetwarzanych produktów. Wiele obecnie stosowanych pomp to zazwyczaj pompy tłokowe. W przypadku tego typu urządzeń należy pamiętać, że uszczelki tłokowe z barierami sterylnymi i urządzenia spłukujące muszą być konstrukcyjnie przewidziane, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu po czyszczeniu CIP/SIP w trakcie procesu. Dodatkowo, w tej klasie pomp nie można wykluczyć zanieczyszczeń spowodowanych ścieraniem tłoka w uszczelkach. Lepszym wyborem do procesów aseptycznych jest wyposażenie homogenizatorów w hermetycznie zamknięte pompy membranowe procesowe.

Technologia pomp membranowych zapobiega zanieczyszczeniu płynów

Pompa membranowa jest uważana za udoskonalenie pompy tłokowej, osiągającą – w przypadku tzw. pomp triplexowych (trzy głowice) – sprawność do 95 procent. Charakteryzuje się ogólnie niskim zużyciem i możliwością podawania stałej ilości niezależnie od ciśnienia podawanego. Jej główną zaletą w kontekście homogenizacji jest fakt, że pompy membranowe ze względu na konstrukcję nie mają dynamicznych układów uszczelniających. Dzięki temu zapewniona jest hermetyczna przestrzeń robocza: nie dochodzi do emisji ani wycieku substratów na zewnątrz, ani do dostania się drobnoustrojów do środka, co wyklucza zanieczyszczenie płynu. Pompa membranowa jest więc przeznaczona do wymagających zastosowań. Nadaje się na przykład do mediów, które muszą być transportowane bez wycieków i bezpiecznie, ponieważ są niebezpieczne lub ścierne i nie mogą dostać się do środowiska produkcyjnego, albo – jak w przypadku mleka dla niemowląt – muszą pozostać wolne od zanieczyszczeń i sterylne.

Higieniczna lub aseptyczna aplikacja wymaga dodatkowych specjalnych dostosowań głowicy pompy membranowej: odpowiedni materiał głowicy, taki jak stal nierdzewna 1.4404 lub alternatywnie odporne na korozję austenityczne materiały, np. 1.4439 lub 1.4462 (dupleks), polerowane powierzchnie z wartością RA < 0,8 µm oraz przestrzenie fluidowe o minimalnej objętości i bez szczelin, mogą umożliwić wielokrotne skuteczne czyszczenie CIP/SIP i zapewnić operację sterylną bez demontażu. Konstrukcja i instalacja pompy powinna umożliwiać okresowe kontrole wyników czyszczenia, nie tracąc przy tym z pola widzenia minimalizacji sterylnych punktów styku w układzie rurowym. Wytyczne, takie jak te od European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) – szczególnie dokument 17 („Higieniczny projekt pomp, homogenizatorów i urządzeń parujących”) – czy 3-A Sanitary Standards 44-03 („Higieniczne standardy dla pomp membranowych”) i 04-05 („Higieniczne standardy dla homogenizatorów i pomp tłokowych”), wskazują, jak powinny być projektowane i instalowane pompy dla przemysłu spożywczego. Aspekty higieniczne dotyczące konstrukcji, czyszczenia i opróżniania pomp, zaworów i układów rurowych w sterylnych instalacjach do aseptycznego podłączenia pomp membranowych można również znaleźć w standardzie ASME BPE w obowiązującej wersji.

Procesowe pompy membranowe mogą być wyposażone w wielowarstwową membranę PTFE zgodną z normą EU 10/2011 (do 700 barów), w zależności od wymagań procesu i poziomu ciśnienia. Ten krok od technologii tłokowej do membranowej znacznie przyczynia się do utrzymania procesu bez niepożądanych mikroorganizmów przez czas niezbędny do kolejnej kampanii czyszczenia CIP/SIP w przypadku produktów mlecznych. W konsekwentnej kontynuacji aseptycznego łańcucha procesowego hermetycznie zamknięte pompy membranowe wysokociśnieniowe są również odpowiednie do podawania pary sprężonej do aseptycznych i szczególnie higienicznych koncentratów mleka.