Jak wybrać odpowiedni zawór do procesu fermentacji, aby zapewnić higieniczną i niezawodną pracę?

Dlaczego wybór zaworu ma kluczowe znaczenie w systemach procesów fermentacji

W każdym procesie fermentacji – niezależnie od tego, czy chodzi o warzenie piwa, produkcję farmaceutyków, hodowlę probiotyków czy produkcję enzymów przemysłowych – zawory należą do najważniejszych elementów systemu. Regulują przepływ pożywek, bulionu hodowlanego, środków czyszczących, pary i gazów przez bioreaktory, linie przesyłowe i urządzenia technologiczne. Zawór, który przecieka, jest siedliskiem skażenia mikrobiologicznego, wprowadza obce materiały lub nie zapewnia niezawodnego uszczelnienia, może zagrozić całemu wsadowi fermentacyjnemu o wartości tysięcy, a nawet setek tysięcy dolarów. Oprócz utraty partii, niewłaściwy dobór zaworu w fermentacji farmaceutycznej lub spożywczej może wywołać zdarzenia niezgodności z przepisami, które skutkują przestojem instalacji lub wycofaniem produktu.

Wyzwanie wyboru właściwego zawór procesu fermentacji leży w wyjątkowej kombinacji wymagań stawianych tym komponentom. Muszą zapewniać hermetyczne uszczelnienie przed ciśnieniem wewnętrznym podczas aktywnej fermentacji, wytrzymywać agresywne cykle sterylizacji przy użyciu pary lub żrących środków chemicznych, być odporne na korozję powodowaną przez kwaśne lub zasadowe media procesowe oraz posiadać powierzchnie wewnętrzne, które można całkowicie wyczyścić bez martwych odnóg i szczelin, w których mogą gromadzić się mikroorganizmy. Żaden pojedynczy typ zaworu nie spełnia wszystkich tych wymagań w równym stopniu w każdym zastosowaniu, dlatego też doświadczeni inżynierowie ds. procesu wybierają różne konstrukcje zaworów dla różnych punktów ciągu procesu fermentacji.

Najpopularniejsze typy zaworów stosowane w fermentacji

W systemach fermentacyjnych stosuje się kilka różnych konstrukcji zaworów, każdy o określonych mocach funkcjonalnych, dzięki czemu jest odpowiedni do określonych warunków pracy. Zrozumienie zasady działania i ograniczeń każdego typu jest podstawą skutecznego doboru zaworu.

Zawory membranowe

Zawór membranowy jest najczęściej stosowanym typem zaworu w zastosowaniach związanych z higieniczną fermentacją i bioprzetwarzaniem. Zasada działania jest elegancka w swojej prostocie: elastyczna membrana wykonana z materiału elastomerowego jest dociskana do jazu lub siodełka w korpusie zaworu w celu zamknięcia, a następnie cofana w celu umożliwienia przepływu. Krytyczną zaletą tej konstrukcji jest to, że mechanizm uruchamiający — koło ręczne, siłownik pneumatyczny i zespół pokrywy — jest całkowicie oddzielony od cieczy procesowej za pomocą membrany. Eliminuje to ryzyko przedostania się smarów, cząstek metalu lub zanieczyszczeń zewnętrznych do strumienia technologicznego i oznacza, że ​​nie ma uszczelnień trzpienia ani dławików uszczelniających, które mogłyby wyciekać medium procesowe do atmosfery. Zawory membranowe są dostępne zarówno w konfiguracjach z korpusem jazu, jak i z pełnym przelotem, z przelotem prostym, przy czym typ jazu zapewnia doskonałą skuteczność odcinania, a typ prostego zapewnia lepszy drenaż i niższy spadek ciśnienia w przypadku lepkich mediów.

Zawory motylkowe

Sanitarne zawory motylkowe są szeroko stosowane w liniach przesyłowych fermentacji i wylotach z dna zbiorników, gdzie wymagana jest kontrola przepływu o dużej średnicy przy niskich kosztach. Okrągła tarcza zamontowana na centralnym wale obraca się w korpusie zaworu, modulując lub odcinając przepływ. W konfiguracji sanitarnej wnętrze dysku i korpusu jest polerowane do Ra ≤ 0,8 µm, a w uszczelnieniu wału zastosowano wymienną wkładkę elastomerową, która zapewnia zarówno uszczelnienie gniazda, jak i uszczelnienie wału w jednym elemencie. Zawory motylkowe zapewniają szybką pracę ćwierćobrotową, kompaktowe wymiary zabudowy i niski spadek ciśnienia w pozycji całkowicie otwartej, dzięki czemu dobrze nadają się do rozładunku zbiorników, linii powrotnych CIP i dużych kolektorów przesyłowych. Ich ograniczeniem jest to, że centralny dysk zawsze pozostaje na ścieżce przepływu, nawet gdy jest całkowicie otwarty, co powoduje niewielką przeszkodę i sprawia, że ​​są one mniej odpowiednie dla bardzo lepkich bulionów fermentacyjnych lub zawiesin o dużej zawartości części stałych.

Zawory kulowe

Sanitarne zawory kulowe mają wywierconą kulę, która obraca się, dopasowując się do ścieżki przepływu lub blokując ją, zapewniając przepływ o pełnym przekroju w pozycji otwartej przy praktycznie zerowym spadku ciśnienia. W konstrukcjach higienicznych kula i korpus są wykonane ze stali nierdzewnej 316L z elektropolerowaną lub mechanicznie polerowaną powierzchnią wewnętrzną, a pierścienie gniazda są wykonane z PTFE lub kompozytów PTFE, które zapewniają odporność chemiczną w bardzo szerokim zakresie pH. Zawory kulowe są preferowane do izolacji włączającej/wyłączającej w przewodach doprowadzających gaz fermentacyjny, portach pobierania próbek i obwodach sterylizacji, ponieważ ich konstrukcja z pełnym przelotem umożliwia całkowite drenaż, a ich prosta geometria jest łatwa do czyszczenia na miejscu. Jednak generalnie nie są one zalecane do pracy dławiącej, ponieważ częściowe otwarcie powoduje z czasem turbulencje i erozję gniazd PTFE.

Zawory gniazdowe (Mixproof i jednogniazdowe)

Zawory jednogniazdowe i zawory dwugniazdowe mixproof są stosowane w bardziej złożonych obiektach fermentacyjnych, gdzie wiele strumieni produktów musi być obsługiwanych w tym samym rurociągu bez ryzyka zanieczyszczenia krzyżowego. Zawór jednogniazdowy wykorzystuje stożkowy lub płaski grzyb dociśnięty do obrobionego maszynowo gniazda w korpusie zaworu, co zapewnia doskonałe działanie odcinające i geometrię samoopróżniającą, jeśli jest zainstalowany w zalecanej orientacji. Zawory dwugniazdowe Mixproof składają się z dwóch niezależnych elementów zamykających, pomiędzy którymi znajduje się szczelina wyciekowa odprowadzana do atmosfery — nawet jeśli jedno gniazdo przecieka, drugie gniazdo zapobiega przedostawaniu się jakiegokolwiek produktu na przeciwną stronę zaworu, a wszelki wyciek jest bezpiecznie odprowadzany do kanalizacji. Ta konstrukcja z podwójną barierą jest obowiązkowa w zakładach fermentacji mleczarskiej i farmaceutycznej, gdzie projekt procesu wymaga jednoczesnego przetwarzania różnych strumieni produktów we wspólnych rurociągach.

Dobór materiałów na korpusy zaworów i elementy zwilżane

Materiały użyte w zwilżonych częściach zaworu procesu fermentacji — korpus, element zamykający, gniazda i uszczelki — muszą wytrzymywać określone warunki chemiczne, termiczne i biologiczne procesu, zachowując jednocześnie integralność powierzchni podczas powtarzanych cykli sterylizacji. Nieprawidłowy dobór materiału jest główną przyczyną przedwczesnej awarii zaworów i zanieczyszczenia procesu w obiektach fermentacyjnych.

• Stal nierdzewna 316L: Standardowy materiał na korpusy zaworów sanitarnych i elementy wewnętrzne do zastosowań w fermentacji żywności, napojów i farmaceutycznej. Niska zawartość węgla w 316L (maksymalnie 0,03% węgla) minimalizuje uczulenie i korozję międzykrystaliczną podczas powtarzających się cykli sterylizacji parowej. Zawartość molibdenu zapewnia doskonałą odporność na wżery wywołane chlorkami w porównaniu ze stalą nierdzewną 304, co jest ważne w systemach CIP wykorzystujących podchloryn sodu lub inne chlorowane środki odkażające.
• EPDM (monomer etylenowo-propylenowo-dienowy): Najszerzej stosowany elastomer do membran i uszczelek gniazd w zaworach fermentacyjnych. EPDM zapewnia doskonałą odporność na sterylizację parową, alkaliczne chemikalia CIP i media wodne w szerokim zakresie temperatur. Nie jest kompatybilny z olejami lub rozpuszczalnikami na bazie węglowodorów, ale rzadko stanowi to problem w wodnych środowiskach fermentacji.
• PTFE (politetrafluoroetylen): Stosowany na pierścienie gniazd w zaworach kulowych oraz jako materiał wykładziny w zaworach membranowych narażonych na działanie agresywnych warunków chemicznych. PTFE jest chemicznie obojętny na praktycznie wszystkie media procesowe spotykane podczas fermentacji, w tym mocne kwasy, mocne zasady i utleniające środki odkażające, ale ma ograniczoną elastyczność i należy go ostrożnie dokręcać podczas montażu, aby zachować integralność gniazda.
• Elastomery silikonowe: Preferowany w fermentacji farmaceutycznej i biotechnologicznej do przepon i uszczelnień, gdzie wymagana jest zgodność z FDA i minimalizacja zawartości substancji ekstrahowalnych. Silikon ma z natury niską zawartość związków ekstrahowalnych, można go autoklawować parą i jest kompatybilny z metodami sterylizacji promieniowaniem gamma stosowanymi w jednorazowych systemach bioprzetwarzania.
• Stale nierdzewne duplex i wysokostopowe: Stosowany w agresywnych środowiskach fermentacyjnych, w których występują wysokie stężenia chlorków, media o niskim pH lub podwyższone temperatury przekraczające odporność na korozję standardowego 316L. Gatunki duplex, takie jak 2205 lub gatunki superaustenityczne, takie jak 904L, zapewniają znacznie wyższe wskaźniki odporności na wżery (PREN) w tych wymagających warunkach pracy.

Normy higieniczne i wymagania dotyczące wykończenia powierzchni

Zawory do procesów fermentacji stosowane w produkcji żywności, napojów, nabiału i farmaceutyków muszą spełniać uznane standardy higienicznego projektowania, które regulują wykończenie powierzchni, wymiary martwego odcinka, możliwość drenażu i identyfikowalność materiału. Zgodność z tymi normami nie jest jedynie formalnością regulacyjną — bezpośrednio określa, czy zawór można niezawodnie oczyścić i wysterylizować w trakcie eksploatacji, nie powodując pozostałości zanieczyszczeń pomiędzy partiami.

Dwie główne normy regulujące konstrukcję zaworów higienicznych to normy sanitarne 3-A (stosowane głównie w Ameryce Północnej) i wytyczne EHEDG (Europejskiej Grupy Inżynierii i Projektowania Higieny) (stosowane głównie w Europie i na arenie międzynarodowej w zastosowaniach farmaceutycznych). Obie normy wymagają, aby chropowatość zwilżonej powierzchni nie przekraczała Ra 0,8 µm w większości zastosowań, przy czym Ra 0,4 µm lub więcej jest wymagane w aseptycznych usługach farmaceutycznych. Wykończenie powierzchni uzyskuje się poprzez polerowanie mechaniczne, elektropolerowanie lub kombinację obu – elektropolerowanie nie tylko zmniejsza chropowatość powierzchni, ale także usuwa osadzone żelazo i inne zanieczyszczenia powierzchniowe, tworząc pasywowaną warstwę tlenku chromu, która zwiększa odporność na korozję.

Kontrola martwej nogi to kolejny krytyczny wymóg higieniczny. Martwy odcinek to dowolny odcinek rurociągu lub wnęki zaworu, który nie jest omiatany przez główny przepływ procesowy lub strumień czyszczenia CIP, tworząc strefę zastoju, w której mikroorganizmy mogą gromadzić się i namnażać pomiędzy cyklami czyszczenia. Przyjęta zasada branżowa ogranicza długość martwych odnóg do nie więcej niż 1,5-krotności średnicy rury. Konstrukcje zaworów, które zawierają zagłębione wgłębienia, zaślepione porty lub komory uszczelniające trzpienia, które komunikują się z płynem procesowym, naruszają to wymaganie i są niedopuszczalne w higienicznych warunkach fermentacji.

Porównanie typów zaworów według zastosowania fermentacji

Różne pozycje w ciągu procesu fermentacji wymagają różnych charakterystyk zaworów. Poniższa tabela przedstawia najpopularniejsze typy zaworów z ich optymalnymi punktami zastosowania w typowym zakładzie fermentacyjnym.

Opcje uruchamiania i automatyzacja w systemach zaworów fermentacyjnych

Nowoczesne obiekty fermentacyjne działają przy wysokim poziomie automatyzacji, a uruchamianie zaworów jest kluczowym elementem architektury sterowania procesem. Zawory ręczne są odpowiednie do rzadkich operacji, takich jak izolacja konserwacyjna lub ręczne pobieranie próbek, ale większość zaworów w systemie fermentacji ciągłej lub okresowej z zasilaniem będzie uruchamiana pneumatycznie lub elektrycznie i kontrolowana przez rozproszony system sterowania (DCS) obiektu lub programowalny sterownik logiczny (PLC).

Siłowniki pneumatyczne są zdecydowanie najpowszechniejszą technologią uruchamiania w systemach zaworów fermentacyjnych, ponieważ są proste, szybkie, niezawodne i z natury bezpieczne w środowiskach, w których istnieje ryzyko iskrzenia elektrycznego z powodu łatwopalnych rozpuszczalników lub gazów. Siłowniki jednostronnego działania ze sprężyną powrotną są standardowym wyborem do obsługi typu włącz/wyłącz, ponieważ nie osiągają określonej bezpiecznej pozycji — ani całkowicie otwartej, ani całkowicie zamkniętej — w przypadku utraty ciśnienia powietrza w przyrządzie. To niezawodne działanie jest niezbędne w systemach fermentacyjnych, w których położenie zaworu w momencie awarii zasilania lub powietrza może określić, czy partia zostanie zachowana, czy utracona. Siłowniki dwustronnego działania, które wymagają ciśnienia powietrza zarówno do otwierania, jak i zamykania, są stosowane tam, gdzie potrzebne są bardzo duże siły uruchamiające lub gdy bezpieczne położenie nie jest krytyczne dla bezpieczeństwa procesu.

Sygnał zwrotny o położeniu zaworu zapewniają wyłączniki krańcowe lub przetworniki położenia zamontowane na zespole siłownika, które potwierdzają systemowi sterującemu, czy zawór jest całkowicie otwarty, całkowicie zamknięty, czy też znajduje się w położeniu pośrednim. W aseptycznej fermentacji farmaceutycznej system sterowania musi otrzymać informację zwrotną dotyczącą potwierdzonej pozycji przed przejściem do następnego kroku w zautomatyzowanej sekwencji — zawór, który nie potwierdzi swojej zadanej pozycji w określonym przedziale czasu, uruchomi alarm i zatrzyma sekwencję, uniemożliwiając przebieg procesu w niezdefiniowanym lub niebezpiecznym stanie. Pozycjonery z możliwością komunikacji HART lub magistralą umożliwiają ciągłe monitorowanie położenia zaworów i gromadzenie danych diagnostycznych, umożliwiając programy konserwacji predykcyjnej, które identyfikują degradację zaworu przed wystąpieniem awarii.