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Lors de la production de nombreux produits alimentaires, les composants utilisés doivent avoir une conception, une sélection de matériaux et une intégration hygiéniques ou, mieux encore, aseptiques. Une solution est la technologie de pompe à membrane aseptique, qui garantit une sécurité de production maximale dans les industries alimentaires.

Le traitement thermique à court terme est utilisé dans l'industrie alimentaire pour une large gamme de produits tels que le lait, les boissons mélangées ou les aliments liquides. Ce traitement tue tous les micro-organismes pathogènes et prolonge la durée de conservation des produits.

Étant donné que l'homogénéisation à haute pression ne peut pas recontaminer les produits alimentaires après le traitement thermique, il faut s'assurer que tous les composants utilisés ont une conception, une sélection des matériaux et une intégration hygiéniques ou, mieux encore, aseptiques.

À ce jour, les pompes à piston à garniture ont été principalement utilisées comme type de technologie de pompe installée dans ces applications. Cependant, en termes de sécurité de production aseptique, l'utilisation de ces pompes n'est que le deuxième meilleur choix. En effet, malgré une conception qui tient compte des composants d'emballage du piston avec des barrières stériles et des systèmes de rinçage, il existe un risque de recontamination après le nettoyage CIP/SIP en cours.

De plus, la charge thermique créée ici entraîne une usure accrue du piston et de son système d'étanchéité. La conséquence est une durée de vie considérablement réduite, en particulier lorsque le produit alimentaire traité contient des ingrédients abrasifs.

Une alternative consiste à utiliser des pompes à membrane de process. Elles disposent d'un module de dosage hermétiquement étanche, qui est hermétiquement séparé de la chambre hydraulique et de l'environnement de process par une membrane. Cela empêche l'intérieur de la chambre de fluide d'être contaminé, excluant toute contamination de l'espace de traitement, y compris le produit alimentaire.

Scandales La listeria dans le fromage, la bactérie E. Coli dans la viande et la salmonelle dans les préparations pour nourrissons, les scandales alimentaires et les campagnes de rappel des grands fabricants sont devenus trop fréquents ces derniers temps, ternissant la réputation des fabricants responsables. Ce phénomène a accru la sensibilisation des clients et mis plus de pression sur l'industrie.

En particulier pour les produits sensibles et les produits soumis à des normes d'hygiène élevées, il est impératif d'assurer une production hygiénique grâce à des étapes de processus hygiéniques sans faille, car cela garantit l'intégrité microbiologique. Ce faisant, il convient de garder à l'esprit les points suivants : des processus de fabrication aseptiques sûrs et fiables sont nécessaires pour obtenir une qualité microbiologique élevée et une stabilité durable tout en répondant aux attentes élevées des clients concernant des aspects tels que la qualité gustative élevée, la salubrité et la durabilité du produit.

Un traitement thermique à court terme (procédés UHT) et une technologie aseptique cohérente en aval présentent une solution possible à ce problème en utilisant une technologie de transformation alimentaire fiable.

Les nouvelles tendances dans le secteur de l'alimentation et des boissons, telles que les produits prêts à consommer non transformés et innovants, posent certains défis à la chaîne d'approvisionnement de l'industrie alimentaire en matière de sécurité alimentaire. Cela s'applique à la fois aux attentes croissantes en matière de fraîcheur et aux additifs et conservateurs mis dans les aliments, qui nécessitent d'investir dans des technologies différentes de celles utilisées dans les processus de production précédents.

Produits croisésLa chaîne de production est en outre affectée par des produits croisés entre les secteurs alimentaire et pharmaceutique tels que les « boissons nutritionnelles » prêtes à boire, comme on les appelle, qui contiennent parfois des proportions élevées de solides abrasifs (par exemple, dus au calcium et aux noix) ou des ingrédients présentant une sensibilité microbiologique.

Dans la production de tels produits croisés, la connaissance empirique de l'environnement GMP pharmaceutique est avantageuse. Ici, des compléments nutritionnels avec des sources de protéines laitières fonctionnelles, des fruits et des saveurs sont combinés pour former de nouvelles boissons, qui peuvent nécessiter une attention particulière lors de la production en fonction de leurs valeurs d'acidité et de pH.

Ces exigences élevées doivent être respectées spécifiquement lors de la formulation des aliments pour bébés et de la nutrition clinique hypercalorique (aliments entériques/parentéraux liquides). Pendant le traitement, certaines tâches clés doivent être gérées spécifiquement par la technologie de la pompe, par exemple pour l'alimentation des matières premières et la création de formulations qui correspondent à la recette, y compris le dosage et le mélange des ingrédients dans les bonnes proportions.

Étant donné que les produits finis sont idéalement stockés à température ambiante et sont censés durer longtemps en rayon, un traitement thermique à court terme est également recommandé ici. Il s'agit de la technologie optimale pour tuer les germes étrangers à un taux élevé et doit être suivie d'une homogénéisation aseptique à haute pression à l'aide de la technologie de la pompe à membrane. Cela évite la recontamination et assure un traitement doux du produit.

Liberté et sécurité L'homogénéisation à haute pression est un domaine d'application qui pose des défis à la technologie des pompes. Les systèmes utilisés dans ce domaine consistent en une pompe haute pression utilisée comme générateur de pression en plus d'un consommateur hydraulique, appelé vanne d'homogénéisation.

Le but de la pompe est de générer l'énergie de dispersion dans la vanne, de véhiculer le fluide à disperser et d'assurer le débit exact dans le processus. En général, les homogénéisateurs peuvent être grossièrement classés dans les niveaux suivants :

• Homogénéisation basse/moyenne pression : 50–500 bar (typiquement dans l'industrie alimentaire, par exemple à environ 400 bar mais tendance à la hausse)

• Homogénéisation moyenne pression : 500 à 700 bars (dans les industries chimiques, cosmétiques et autres)

• Homogénéisation à haute pression : 700 à 2 000 bars (par exemple, pour la rupture cellulaire pour la libération de métabolites dans l'industrie biotechnologique ou la production de liposomes apyrogènes dans la formulation pharmaceutique)

• Homogénéisation ultra-haute pression : 2 000 à 40 000 bars (pour éliminer les germes/conserver les aliments)

L'homogénéisation à haute pression est principalement utilisée pour briser les composants en fragments et les mélanger dans le cadre d'une émulsion ou d'une dispersion. L'homogénéisation du lait en est un exemple connu. Dans cette application, l'agglomération des graisses (crémage) doit être évitée. La technologie utilisée ne doit pas avoir d'impact négatif sur la qualité des produits. Cela est particulièrement vrai pour les préparations pour nourrissons.

L'objectif ici est de recréer au plus près les propriétés du lait maternel en sélectionnant les bons composants de production. Ce produit nécessite fondamentalement une absence absolue de résidus et une sécurité microbienne maximale. Les systèmes aseptiques et les dispositifs liés au processus qui y sont installés (comme les pompes) doivent répondre à ces normes en matière de sélection et de conception des matériaux. Toute compromission ou erreur d'installation peut s'avérer ultérieurement source de contamination.

Principes de travail Les pompes haute pression alternatives dont sont équipées les machines d'homogénéisation haute pression sont nécessaires pour pomper le fluide du côté aspiration à travers une pompe d'alimentation (généralement une pompe centrifuge) en augmentant la pression sur l'unité d'homogénéisation (vanne à un étage ou à deux étages). Les pompes d'homogénéisation sont équipées de trois à six têtes de pompe. Les pompes à membrane de process se distinguent par leur conception monobloc robuste et par l'engrenage à vis sans fin intégré avec un rendement hydraulique élevé grâce à un fonctionnement très silencieux.

Les vannes de fluide avec des conceptions spécifiques à l'application qui ont été optimisées pour l'usure et l'hygiène garantissent un pompage fiable à la fois du côté aspiration et du côté refoulement de la pompe. Les vannes d'homogénéisation automatisées sont contrôlées pneumatiquement et hydrauliquement.

La taille des gouttelettes lors de l'homogénéisation est déterminée principalement par la cavitation dans la chambre du deuxième étage et dépend de la chute de pression dans celle-ci. En supposant que des fluides incompressibles sont manipulés, le débit d'une pompe de procédé à membrane alternative est réduit d'une petite quantité à mesure que la pression augmente et peut être traité comme une valeur presque constante.

Les fluctuations de pression entre une pompe alternative et la vanne de l'homogénéisateur peuvent être contrées à l'aide de mesures de lissage des pulsations. Cela comprend la sélection de points de fonctionnement appropriés pour la pompe et les mesures d'amortissement sur la tuyauterie. Ici, des programmes de simulation dynamique très spécifiques réalisés dans le cadre d'une analyse de pulsation peuvent apporter une aide à la conception.

Pour les tâches d'homogénéisation après un traitement UHT, la pompe d'homogénéisation et la vanne d'homogénéisation doivent toujours répondre aux exigences d'asepsie afin que l'intégrité des produits traités reste assurée. Cependant, de nombreuses pompes encore utilisées aujourd'hui sont des pompes à piston garni.

Pour ce type d'unité, notez que les composants d'emballage du piston avec des barrières stériles et des systèmes de rinçage doivent être incorporés dans la conception comme mesure de prévention de la recontamination après le nettoyage CIP/SIP en cours. De plus, des contaminations causées par l'abrasion du piston dans la zone de garniture ne peuvent pas être exclues pour cette classe de pompe. L'option préférable pour les procédés aseptiques est donc d'équiper les étapes d'homogénéisation de pompes à membrane de procédé hermétiquement étanches.

Technologie de diaphragme La pompe à membrane peut être considérée comme une évolution réussie de la pompe à piston à garniture. La pompe à membrane atteint un rendement allant jusqu'à 95% (en référence aux pompes à membrane dites triplex, c'est-à-dire à trois têtes de pompe). La pompe se distingue par sa faible usure et grâce à des débits quasiment indépendants de la pression de refoulement.

Dans les applications d'homogénéisation, les utilisateurs bénéficient énormément du fait que les pompes à membrane sont conçues pour fonctionner sans systèmes d'étanchéité dynamiques. Cela garantit une tête de pompe hermétiquement étanche, ce qui signifie zéro émission ou fuite de substrat de l'intérieur du système ainsi qu'aucune pénétration de germes de l'extérieur.

En conséquence, la contamination des fluides peut être exclue. Cela signifie que la pompe à membrane est la solution parfaite pour les applications exigeantes. Il convient aux fluides qui, par exemple, doivent être pompés sans fuite et avec une fiabilité de fonctionnement absolue car ils sont dangereux ou abrasifs et ne doivent en aucun cas être rejetés dans l'environnement de production, ou des fluides tels que le lait maternisé qui doivent rester stériles et exempts de contamination.

Ajustements spéciauxUne application hygiénique ou aseptique nécessite des ajustements spéciaux supplémentaires de la tête de pompe à membrane : un matériau de tête de pompe approprié tel que l'acier inoxydable 1.4404 ou, en alternative, des matériaux austénitiques particulièrement résistants à la corrosion tels que 1.4439 ou 1.4462 (Duplex), des surfaces polies avec une valeur RA < 0,8 µm et des chambres de fluide avec un espace mort minimal et sans espace peuvent permettre d'effectuer les étapes de nettoyage CIP/SIP de manière répétée et efficace, garantissant ainsi un fonctionnement stérile sans démontage .

La conception et l'installation de la pompe doivent cependant permettre de vérifier périodiquement les résultats du nettoyage tout en minimisant les interfaces stériles dans le cheminement des tuyaux.

Des directives telles que celles de l'European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG), en particulier le document 17 (« Hygienic Design of Pumps, Homogenizers and Dampening Devices »), ou les normes sanitaires 3-A 44-03 (« Sanitary Standards for Diaphragm Pumps ») et 04-05 (« Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating Pumps ») fournissent des informations sur la conception et l'installation des pompes pour l'industrie alimentaire .

Les aspects de conception hygiénique concernant le nettoyage, la capacité de vidange de la pompe, les vannes et la tuyauterie des systèmes stériles pour la conception des raccords process aseptiques des pompes à membrane peuvent également être trouvés dans la norme ASME BPE dans la version valable pour l'application spécifique.

En fonction des exigences du process et de la pression nominale requise, les pompes à membrane process peuvent être équipées d'une membrane PTFE multicouche conforme à la norme EU 10/2011 (jusqu'à 700 bar).

Dans le cas des produits laitiers, le passage de la technologie du piston garni à la technologie de la pompe à membrane est une étape cruciale pour permettre de maintenir un processus exempt de micro-organismes indésirables pendant la durée de traitement requise et jusqu'au prochain nettoyage CIP/SIP. En maintenant une chaîne de processus aseptique tout au long de la ligne, les pompes à membrane haute pression hermétiquement étanches conviennent également à l'alimentation des tours de pulvérisation avec les concentrés de lait aseptiques et très sensibles à l'hygiène.