Cum alegeți supapa potrivită pentru procesul de fermentare pentru o funcționare igienă și fiabilă?

De ce alegerea supapelor este critică în sistemele de proces de fermentație

În orice proces de fermentație - fie că se produce bere, producția de produse farmaceutice, cultivarea probioticelor sau fabricarea enzimelor industriale - supapele sunt printre cele mai importante componente ale sistemului. Acestea reglează fluxul de medii, bulion de cultură, agenți de curățare, abur și gaze prin bioreactoare, linii de transfer și echipamente de procesare. O supapă care are scurgeri, adăpostește contaminarea microbiană, introduce materiale străine sau nu reușește să sigileze în mod fiabil poate compromite un întreg lot de fermentație în valoare de mii sau chiar sute de mii de dolari. Dincolo de pierderea lotului, selecția necorespunzătoare a supapelor în fermentația farmaceutică sau alimentară poate declanșa evenimente de nerespectare a reglementărilor care au ca rezultat închiderea instalațiilor sau rechemarea produselor.

Provocarea de a alege corect supapa procesului de fermentare constă în combinația unică de cerințe impuse acestor componente. Acestea trebuie să mențină o etanșare ermetică împotriva presiunilor interne în timpul fermentației active, să reziste la cicluri agresive de sterilizare folosind abur sau substanțe chimice caustice, să reziste la coroziune din mediile de proces acide sau alcaline și să prezinte suprafețe interioare care pot fi curățate complet fără picioare moarte sau crăpături în care se pot acumula microorganisme. Niciun tip de supapă nu satisface toate aceste cerințe în mod egal în fiecare aplicație, motiv pentru care inginerii de proces cu experiență selectează diferite modele de supape pentru diferite puncte din trenul procesului de fermentație.

Cele mai comune tipuri de supape utilizate în fermentație

În sistemele de fermentație sunt utilizate mai multe modele distincte de supape, fiecare cu puteri funcționale specifice, care o fac potrivită pentru anumite condiții de serviciu. Înțelegerea principiului de funcționare și a limitărilor fiecărui tip este fundamentul selecției eficiente a supapelor.

Supape cu diafragmă

Supapa cu diafragmă este cel mai utilizat tip de supapă în aplicațiile de fermentație igienă și bioprocesare. Principiul său de funcționare este elegant prin simplitatea sa: o diafragmă flexibilă realizată din material elastomeric este presată pe un deversor sau șa din corpul supapei pentru a obține închiderea și retrasă pentru a permite curgerea. Avantajul critic al acestui design este că mecanismul de acționare - roata de mână, actuatorul pneumatic și ansamblul capotei - este complet separat de fluidul de proces prin diafragmă. Acest lucru elimină riscul ca lubrifianții, particulele de metal sau contaminanții externi să intre în fluxul procesului și înseamnă că nu există etanșări ale tijei sau glande de etanșare care pot scurge mediile de proces în atmosferă. Supapele cu diafragmă sunt disponibile atât în ​​configurații cu corp de gunoi, cât și cu pasaj complet, tipul de gunoi oferind performanțe superioare de închidere, iar tipul drept, oferind un drenaj mai bun și o cădere mai mică de presiune pentru mediile vâscoase.

Supape fluture

Supapele fluture sanitare sunt utilizate pe scară largă în liniile de transfer de fermentație și în orificiile de evacuare de la fundul rezervorului, unde este necesar controlul debitului cu diametru mare la costuri reduse. Un disc circular montat pe un arbore central se rotește în interiorul corpului supapei pentru a modula sau a opri fluxul. În configurația sanitară, discul și interiorul corpului sunt lustruite la Ra ≤ 0,8 µm, iar etanșarea arborelui folosește o căptușeală elastomerică înlocuibilă care asigură atât etanșarea scaunului, cât și etanșarea arborelui într-o singură componentă. Supapele fluture oferă funcționare rapidă cu un sfert de tura, dimensiuni compacte față în față și cădere redusă de presiune în poziție complet deschisă, făcându-le potrivite pentru descărcarea rezervorului, liniile de retur CIP și colectoarele mari de transfer. Limitarea lor este că discul central rămâne întotdeauna în calea curgerii chiar și atunci când este complet deschis, ceea ce creează o obstrucție minoră și le face mai puțin potrivite pentru bulioanele de fermentație foarte vâscoase sau suspensii cu conținut ridicat de solide.

Supape cu bilă

Robinetele sanitare cu bilă prezintă o sferă găurită care se rotește pentru a se alinia cu sau pentru a bloca traseul de curgere, oferind un flux complet în poziție deschisă cu o cădere de presiune practic zero. În modelele igienice, mingea și corpul sunt fabricate din oțel inoxidabil 316L cu o suprafață interioară electrolustruită sau lustruită mecanic, iar inelele scaunului sunt fabricate din compozite PTFE sau PTFE care oferă rezistență chimică într-un interval foarte larg de pH. Supapele cu bilă sunt preferate pentru serviciul de izolație pornit/oprit în liniile de alimentare cu gaz de fermentație, porturile de prelevare de probe și circuitele de sterilizare, deoarece construcția lor cu orificiu complet permite drenarea completă și geometria lor simplă este ușor de curățat pe loc. Cu toate acestea, ele nu sunt, în general, recomandate pentru serviciul de accelerare, deoarece deschiderea parțială provoacă turbulențe și erodarea scaunelor din PTFE în timp.

Supape cu scaun (rezistente la amestec și cu un singur loc)

Supapele cu un singur loc și cu două scaune rezistente la amestec sunt utilizate în instalații de fermentație mai complexe, unde mai multe fluxuri de produse trebuie manipulate în cadrul aceleiași conducte fără risc de contaminare încrucișată. O supapă cu un singur loc utilizează un dop conic sau plat apăsat pe un scaun prelucrat în corpul supapei, oferind o performanță de închidere excelentă și o geometrie de auto-drenare atunci când este instalată în orientarea recomandată. Supapele cu două scaune rezistente la amestec au două elemente de închidere independente, cu o cavitate de scurgere între ele, care este aerisită în atmosferă - chiar dacă un scaun are scurgeri, al doilea scaun împiedică orice produs să ajungă în partea opusă a supapei, iar orice scurgere este evacuată în siguranță într-un canal de scurgere. Acest design cu dublă barieră este obligatoriu în instalațiile de fermentație a produselor lactate și farmaceutice, unde procesarea simultană a diferitelor fluxuri de produse în conducte comune este necesară de proiectarea procesului.

Selectarea materialului pentru corpurile supapelor și componentele umede

Materialele utilizate în părțile umede ale unei supape de proces de fermentație - corpul, elementul de închidere, scaunele și etanșările - trebuie să reziste la condițiile chimice, termice și biologice specifice ale procesului, menținând în același timp integritatea suprafeței pe parcursul ciclurilor repetate de sterilizare. Selectarea incorectă a materialului este o cauză principală a defecțiunii premature a supapelor și a contaminării procesului în instalațiile de fermentație.

• Oțel inoxidabil 316L: Materialul standard pentru corpurile supapelor sanitare și elementele interne pentru alimente, băuturi și fermentație farmaceutică. Conținutul scăzut de carbon de 316L (maximum 0,03% carbon) minimizează sensibilizarea și coroziunea intergranulară în timpul ciclurilor repetate de sterilizare cu abur. Conținutul său de molibden oferă o rezistență superioară la pitting indusă de clorură în comparație cu inoxidabilul 304, ceea ce este important în sistemele CIP care utilizează hipoclorit de sodiu sau alți dezinfectanți clorurati.
• EPDM (monomer de etilenă propilen dienă): Cel mai utilizat elastomer pentru diafragme și etanșări ale scaunelor din supapele de fermentație. EPDM oferă o rezistență excelentă la sterilizarea cu abur, substanțele chimice alcaline CIP și mediile apoase într-un interval larg de temperatură. Nu este compatibil cu uleiurile sau solvenții pe bază de hidrocarburi, dar acest lucru este rareori o problemă în mediile de fermentație apoasă.
• PTFE (politetrafluoretilenă): Folosit pentru inelele scaunului din supapele cu bilă și ca material de căptușeală în supapele cu diafragmă expuse la condiții chimice agresive. PTFE este inert din punct de vedere chimic la aproape toate mediile de proces întâlnite în fermentație, inclusiv acizii puternici, bazele puternice și dezinfectanții oxidanți, dar are o elasticitate limitată și trebuie strâns cu atenție în timpul asamblarii pentru a menține integritatea scaunului.
• Elastomeri siliconici: Preferat în fermentația farmaceutică și biotehnologică pentru diafragme și etanșări, în care respectarea FDA și minimizarea elementelor extractibile sunt obligatorii. Siliconul este în mod inerent sărac în compuși extractibili, autoclavabil cu abur și compatibil cu metodele de sterilizare cu iradiere gamma utilizate în sistemele de bioprocesare de unică folosință.
• Oțeluri inoxidabile duplex și înalt aliate: Folosit în medii agresive de fermentație care implică concentrații mari de clorură, mediu cu pH scăzut sau temperaturi ridicate care depășesc rezistența la coroziune a standardului 316L. Calitățile duplex, cum ar fi 2205 sau super-austenitice precum 904L oferă indici de rezistență la pitting (PREN) semnificativ mai mari pentru aceste condiții de serviciu exigente.

Standarde de igienă și cerințe de finisare a suprafeței

Supapele procesului de fermentație utilizate în producția de alimente, băuturi, lactate și produse farmaceutice trebuie să respecte standardele de proiectare igienice recunoscute care guvernează finisarea suprafeței, dimensiunile picioarelor moarte, drenarea și trasabilitatea materialului. Respectarea acestor standarde nu este doar o formalitate de reglementare – ea determină în mod direct dacă supapa poate fi curățată și sterilizată în mod fiabil în timpul funcționării, fără a adăposti contaminare reziduală între loturi.

Cele două standarde principale care guvernează proiectarea supapelor igienice sunt standardele sanitare 3-A (utilizate în principal în America de Nord) și ghidurile EHEDG (European Hygienic Engineering and Design Group) (utilizate în principal în Europa și la nivel internațional pentru aplicații farmaceutice). Ambele standarde impun ca rugozitatea suprafeței umede să nu depășească Ra 0,8 µm pentru majoritatea aplicațiilor, fiind necesar Ra 0,4 µm sau mai mult pentru serviciile farmaceutice aseptice. Finisarea suprafeței este obținută prin lustruire mecanică, electrolustruire sau o combinație a ambelor - electrolustruirea nu numai că reduce rugozitatea suprafeței, ci și îndepărtează fierul încorporat și alți contaminanți de suprafață, creând un strat de oxid de crom pasiv care sporește rezistența la coroziune.

Controlul picioarelor moarte este o altă cerință critică de design igienic. Un picior mort este orice secțiune de conductă sau cavitate de supapă care nu este măturată de fluxul principal de proces sau fluxul de curățare CIP, creând o zonă de stagnare în care microorganismele se pot acumula și se pot multiplica între ciclurile de curățare. Regula acceptată a industriei limitează picioarele moarte la cel mult 1,5 ori lungimea diametrului țevii. Modelele de supape care încorporează cavități încastrate, orificii oarbe sau camere de umplere a tijei care comunică cu fluidul de proces încalcă această cerință și nu sunt acceptabile în serviciul de fermentație igienă.

Compararea tipurilor de supape în funcție de aplicația de fermentație

Pozițiile diferite în trenul procesului de fermentație necesită caracteristici diferite ale supapei. Următorul tabel prezintă cele mai comune tipuri de supape la punctele lor optime de aplicare într-o instalație tipică de fermentație.

Opțiuni de acționare și automatizare în sistemele cu supape de fermentație

Instalațiile moderne de fermentație funcționează cu niveluri ridicate de automatizare, iar acţionarea supapelor este o componentă de bază a arhitecturii de control al procesului. Supapele manuale sunt adecvate pentru operațiuni rare, cum ar fi izolarea de întreținere sau eșantionarea manuală, dar majoritatea supapelor dintr-un sistem de fermentație continuu sau alimentat în loturi vor fi acționate pneumatic sau electric și controlate de sistemul de control distribuit (DCS) al instalației sau controlerul logic programabil (PLC).

Actuatoarele pneumatice sunt de departe cea mai comună tehnologie de acționare în sistemele de supape de fermentație, deoarece sunt simple, rapide, fiabile și în mod inerent sigure în mediile în care există riscul de scânteie electrică din cauza solvenților sau gazelor inflamabile. Dispozitivele de acționare cu retur cu arc cu acțiune simplă sunt alegerea standard pentru serviciul pornit/oprit, deoarece nu reușesc să ajungă la o poziție sigură definită - fie complet deschisă, fie complet închisă - la pierderea presiunii aerului instrumentului. Acest comportament de siguranță este esențial în sistemele de fermentație în care poziția supapei în punctul de alimentare sau întreruperea aerului poate determina dacă un lot este salvat sau pierdut. Actuatoarele cu dublă acțiune, care necesită presiune de aer atât pentru deschidere, cât și pentru închidere, sunt utilizate acolo unde sunt necesare forțe de acționare foarte mari sau unde poziția de siguranță nu este critică pentru siguranța procesului.

Feedback-ul poziției supapei este furnizat de întrerupătoarele de limită sau transmițătoarele de poziție montate pe ansamblul actuatorului, care confirmă sistemului de control dacă supapa este complet deschisă, complet închisă sau într-o poziție intermediară. În fermentația farmaceutică aseptică, sistemul de control trebuie să primească feedback de poziție confirmată înainte de a trece la pasul următor într-o secvență automată - o supapă care nu își confirmă poziția comandată într-o perioadă de timeout definită va declanșa o alarmă și va opri secvența, împiedicând procesul să continue într-o stare nedefinită sau nesigură. Poziționerii cu capacitate de comunicare HART sau fieldbus permit monitorizarea continuă a poziției supapelor și colectarea datelor de diagnosticare, permițând programe de întreținere predictivă care identifică degradarea supapei înainte de apariția defecțiunii.