Как выбрать правильный клапан процесса ферментации, обеспечивающий гигиеническую и надежную работу?

Почему выбор клапана имеет решающее значение в системах процесса ферментации

В любом процессе ферментации — будь то пивоварение, производство фармацевтических препаратов, выращивание пробиотиков или производство промышленных ферментов — клапаны являются одними из наиболее важных компонентов системы. Они регулируют поток сред, культурального бульона, чистящих средств, пара и газов через биореакторы, линии передачи и технологическое оборудование. Клапан, который протекает, содержит микробное загрязнение, содержит посторонние материалы или не герметично закрывается, может поставить под угрозу всю партию ферментации стоимостью в тысячи или даже сотни тысяч долларов. Помимо потери партии, неправильный выбор клапана при ферментации фармацевтических или пищевых продуктов может спровоцировать случаи несоответствия нормативным требованиям, которые приводят к остановке производства или отзыву продукции.

Задача выбора правильного клапан процесса ферментации заключается в уникальном сочетании требований, предъявляемых к этим компонентам. Они должны сохранять герметичность от внутреннего давления во время активной ферментации, выдерживать агрессивные циклы стерилизации с использованием пара или едких химикатов, противостоять коррозии от кислотных или щелочных технологических сред и иметь внутренние поверхности, которые можно полностью очистить, без застойных зон или щелей, в которых могут скапливаться микроорганизмы. Ни один тип клапана не удовлетворяет в равной степени всем этим требованиям для каждого применения, поэтому опытные инженеры-технологи выбирают разные конструкции клапанов для разных точек технологического процесса ферментации.

Наиболее распространенные типы клапанов, используемые при ферментации

В ферментационных системах используется несколько различных конструкций клапанов, каждая из которых имеет определенные функциональные преимущества, которые делают ее подходящей для определенных условий эксплуатации. Понимание принципа работы и ограничений каждого типа является основой эффективного выбора клапана.

Мембранные клапаны

Мембранный клапан является наиболее широко используемым типом клапана в гигиенических процессах ферментации и биопереработки. Его принцип работы элегантен в своей простоте: гибкая диафрагма из эластомерного материала прижимается к переливу или седлу в корпусе клапана для закрытия и втягивается для обеспечения потока. Важнейшим преимуществом этой конструкции является то, что исполнительный механизм — маховик, пневматический привод и узел крышки — полностью отделен от технологической жидкости диафрагмой. Это исключает риск попадания смазочных материалов, металлических частиц или внешних загрязнений в технологический поток, а также означает отсутствие уплотнений штока или сальников, которые могут привести к утечке технологической среды в атмосферу. Мембранные клапаны доступны как в конфигурации с переливным корпусом, так и в полнопроходной прямоточной конфигурации, при этом тип с переливом обеспечивает превосходные запорные характеристики, а прямоточный тип обеспечивает лучший дренаж и меньший перепад давления для вязких сред.

Поворотные заслонки

Санитарные дроссельные заслонки широко используются в линиях перекачки ферментации и на нижних выпускных отверстиях резервуаров, где требуется регулирование потока большого диаметра при низких затратах. Круглый диск, установленный на центральном валу, вращается внутри корпуса клапана, модулируя или перекрывая поток. В санитарной конфигурации диск и внутренняя часть корпуса полируются до Ra ≤ 0,8 мкм, а в уплотнении вала используется сменный эластомерный вкладыш, который обеспечивает как уплотнение седла, так и уплотнение вала в одном компоненте. Поворотные затворы обеспечивают быстрое срабатывание на четверть оборота, компактные габаритные размеры и низкий перепад давления в полностью открытом положении, что делает их хорошо подходящими для опорожнения резервуаров, возвратных линий CIP и больших перепускных коллекторов. Их ограничением является то, что центральный диск всегда остается на пути потока, даже когда он полностью открыт, что создает незначительное препятствие и делает их менее подходящими для высоковязких ферментативных бульонов или суспензий с высоким содержанием твердых веществ.

Шаровые краны

Санитарные шаровые краны имеют просверленную сферу, которая вращается, выравнивая путь потока или блокируя его, обеспечивая полнопроходной поток в открытом положении с практически нулевым перепадом давления. В гигиенических исполнениях шар и корпус изготавливаются из нержавеющей стали 316L с электрополированной или механически полированной внутренней поверхностью, а седла изготавливаются из ПТФЭ или композитов ПТФЭ, которые обеспечивают химическую стойкость в очень широком диапазоне pH. Шаровые краны предпочтительны для двухпозиционной изоляции в линиях подачи ферментационного газа, отверстиях для отбора проб и контурах стерилизации, поскольку их полнопроходная конструкция обеспечивает полный дренаж, а их простая геометрия легко очищается на месте. Однако их, как правило, не рекомендуется использовать для дросселирования, поскольку частичное открытие со временем вызывает турбулентность и эрозию седел из ПТФЭ.

Седельные клапаны (смесительные и односедельные)

Односедельные и противосмесительные двухседельные клапаны используются на более сложных ферментационных предприятиях, где необходимо обрабатывать несколько потоков продукта в одном трубопроводе без риска перекрестного загрязнения. В односедельном клапане используется коническая или плоская заглушка, прижатая к обработанному седлу в корпусе клапана, что обеспечивает превосходные запорные характеристики и геометрию самодренирования при установке в рекомендуемом положении. Противосмесительные двухседельные клапаны оснащены двумя независимыми запирающими элементами с полостью для утечки между ними, которая выводится в атмосферу — даже если одно седло протекает, второе седло предотвращает попадание любого продукта на противоположную сторону клапана, и любая утечка безопасно сбрасывается в канализацию. Такая конструкция с двойным барьером обязательна на молочных и фармацевтических ферментационных предприятиях, где технологическая схема требует одновременной обработки различных потоков продуктов в общих трубопроводах.

Выбор материала для корпусов клапанов и компонентов, контактирующих с рабочей средой

Материалы, используемые в смачиваемых частях клапана процесса ферментации — корпусе, запорном элементе, седлах и уплотнениях — должны выдерживать определенные химические, термические и биологические условия процесса, сохраняя при этом целостность поверхности в течение повторяющихся циклов стерилизации. Неправильный выбор материала является основной причиной преждевременного выхода из строя клапана и технологического загрязнения на ферментационных предприятиях.

• Нержавеющая сталь 316L: Стандартный материал для корпусов и внутренних частей санитарно-гигиенических клапанов при ферментации пищевых продуктов, напитков и фармацевтических препаратов. Низкое содержание углерода в стали 316L (максимум 0,03 %) сводит к минимуму сенсибилизацию и межкристаллитную коррозию во время повторяющихся циклов паровой стерилизации. Содержание молибдена в нем обеспечивает превосходную устойчивость к точечной коррозии, вызванной хлоридами, по сравнению с нержавеющей сталью 304, что важно в системах CIP, использующих гипохлорит натрия или другие хлорсодержащие дезинфицирующие средства.
• EPDM (мономер этиленпропилендиена): Наиболее широко используемый эластомер для диафрагм и уплотнений седел ферментационных клапанов. EPDM обеспечивает превосходную стойкость к стерилизации паром, щелочным химикатам CIP и водным средам в широком диапазоне температур. Он не совместим с маслами или растворителями на основе углеводородов, но это редко вызывает беспокойство в средах водного брожения.
• ПТФЭ (политетрафторэтилен): Используется для седельных колец шаровых кранов и в качестве материала вкладыша в мембранных клапанах, подвергающихся агрессивным химическим воздействиям. ПТФЭ химически инертен практически ко всем технологическим средам, встречающимся при ферментации, включая сильные кислоты, сильные основания и окислительные дезинфицирующие средства, но он имеет ограниченную эластичность, и его необходимо тщательно затягивать во время сборки, чтобы сохранить целостность седла.
• Силиконовые эластомеры: Предпочтителен в фармацевтической и биотехнологической ферментации для диафрагм и уплотнений, где соблюдение требований FDA и минимизация экстрагируемых веществ являются обязательными. Силикон по своей природе имеет мало экстрагируемых соединений, автоклавируется паром и совместим с методами стерилизации гамма-излучением, используемыми в одноразовых биотехнологических системах.
• Дуплексные и высоколегированные нержавеющие стали: Используется в агрессивных средах ферментации, включающих высокие концентрации хлоридов, среды с низким pH или повышенные температуры, которые превышают коррозионную стойкость стандарта 316L. Дуплексные марки, такие как 2205, или супераустенитные марки, такие как 904L, обеспечивают значительно более высокие индексы устойчивости к точечной коррозии (PREN) для этих сложных условий эксплуатации.

Гигиенические стандарты и требования к качеству поверхности

Клапаны процесса ферментации, используемые в производстве продуктов питания, напитков, молочных продуктов и фармацевтических препаратов, должны соответствовать признанным гигиеническим стандартам проектирования, которые определяют качество поверхности, размеры мертвых зон, дренируемость и отслеживаемость материалов. Соответствие этим стандартам — это не просто нормативная формальность — оно напрямую определяет, можно ли надежно очистить и стерилизовать клапан во время эксплуатации без образования остаточного загрязнения между партиями.

Двумя основными стандартами, регулирующими проектирование гигиенических клапанов, являются санитарные стандарты 3-A (используемые в основном в Северной Америке) и рекомендации EHEDG (Европейская группа по гигиеническому проектированию и проектированию) (используемые в основном в Европе и во всем мире для фармацевтических применений). Оба стандарта требуют, чтобы шероховатость смачиваемой поверхности не превышала Ra 0,8 мкм для большинства применений, а Ra 0,4 мкм или выше требуется для асептического фармацевтического обслуживания. Чистота поверхности достигается за счет механической полировки, электрополировки или их комбинации — электрополировка не только уменьшает шероховатость поверхности, но также удаляет въевшееся железо и другие поверхностные загрязнения, создавая пассивированный слой оксида хрома, который повышает коррозионную стойкость.

Контроль застойных зон является еще одним важным требованием гигиенического дизайна. «Застойная зона» — это любой участок трубопровода или полости клапана, который не омывается основным технологическим потоком или потоком CIP-мойки, создавая застойную зону, где микроорганизмы могут накапливаться и размножаться между циклами очистки. Принятые в отрасли правила ограничивают длину застойников не более чем в 1,5 раза больше диаметра трубы. Конструкции клапанов, включающие утопленные полости, глухие порты или камеры уплотнения штока, сообщающиеся с технологической жидкостью, нарушают это требование и неприемлемы для гигиенических процессов ферментации.

Сравнение типов клапанов в зависимости от применения ферментации

Различные позиции в процессе ферментации требуют разных характеристик клапана. В следующей таблице показаны наиболее распространенные типы клапанов и их оптимальные точки применения на типичном ферментационном предприятии.

Варианты срабатывания и автоматизация в системах ферментационных клапанов

Современные ферментационные установки работают с высоким уровнем автоматизации, а приведение в действие клапанов является ключевым компонентом архитектуры управления процессом. Ручные клапаны подходят для нечастых операций, таких как изоляция при обслуживании или ручной отбор проб, но большинство клапанов в системе непрерывной или периодической ферментации будут иметь пневматический или электрический привод и управляться распределенной системой управления предприятия (DCS) или программируемым логическим контроллером (ПЛК).

Пневматические приводы на сегодняшний день являются наиболее распространенной технологией привода в системах ферментационных клапанов, поскольку они просты, быстры, надежны и по своей сути безопасны в средах, где существует риск возникновения электрических искр из-за легковоспламеняющихся растворителей или газов. Приводы с пружинным возвратом одностороннего действия являются стандартным выбором для работы в режиме включения/выключения, поскольку они не могут перейти в определенное безопасное положение — полностью открытое или полностью закрытое — при потере давления воздуха в приборе. Такое отказоустойчивое поведение важно в ферментационных системах, где положение клапана в момент отключения питания или подачи воздуха может определить, будет ли партия сохранена или потеряна. Приводы двойного действия, для открытия и закрытия которых требуется давление воздуха, используются там, где необходимы очень высокие силы срабатывания или где безопасное положение не является критическим для безопасности процесса.

Обратная связь о положении клапана обеспечивается концевыми выключателями или датчиками положения, установленными на узле привода, которые подтверждают системе управления, полностью открыт ли клапан, полностью закрыт или находится в промежуточном положении. При асептической фармацевтической ферментации система управления должна получить подтвержденную обратную связь о положении, прежде чем переходить к следующему этапу в автоматизированной последовательности — клапан, который не может подтвердить свое заданное положение в течение определенного периода времени, вызовет сигнал тревоги и остановит последовательность, предотвращая продолжение процесса в неопределенном или небезопасном состоянии. Позиционеры с возможностью связи по протоколу HART или полевой шине позволяют осуществлять непрерывный мониторинг положения клапана и сбор диагностических данных, что позволяет реализовать программы профилактического технического обслуживания, которые выявляют ухудшение состояния клапана до того, как произойдет отказ.