Come si sceglie la valvola di processo di fermentazione giusta per un funzionamento igienico e affidabile?

Perché la scelta della valvola è fondamentale nei sistemi di processo di fermentazione

In qualsiasi processo di fermentazione, sia che si tratti di produrre birra, produrre prodotti farmaceutici, coltivare probiotici o produrre enzimi industriali, le valvole sono tra i componenti più importanti del sistema. Regolano il flusso di terreni, brodo di coltura, detergenti, vapore e gas attraverso bioreattori, linee di trasferimento e apparecchiature di trattamento. Una valvola che perde, ospita contaminazione microbica, introduce materiali estranei o non riesce a sigillare in modo affidabile può compromettere un intero lotto di fermentazione del valore di migliaia o addirittura centinaia di migliaia di dollari. Oltre alla perdita di lotti, la scelta impropria della valvola nella fermentazione farmaceutica o alimentare può innescare eventi di non conformità normativa che comportano la chiusura degli impianti o il ritiro dei prodotti.

La sfida di selezionare quello giusto valvola del processo di fermentazione risiede nella combinazione unica di esigenze poste a questi componenti. Devono mantenere una chiusura ermetica contro le pressioni interne durante la fermentazione attiva, resistere a cicli di sterilizzazione aggressivi utilizzando vapore o sostanze chimiche caustiche, resistere alla corrosione da mezzi di processo acidi o alcalini e presentare superfici interne che possono essere completamente pulite senza parti morte o fessure in cui i microrganismi possono accumularsi. Nessun singolo tipo di valvola soddisfa tutti questi requisiti allo stesso modo in ogni applicazione, motivo per cui ingegneri di processo esperti selezionano modelli di valvole diversi per punti diversi nel processo di fermentazione.

I tipi di valvole più comuni utilizzati nella fermentazione

Nei sistemi di fermentazione vengono utilizzati diversi design distinti delle valvole, ciascuno con punti di forza funzionali specifici che lo rendono adatto a particolari condizioni di servizio. Comprendere il principio di funzionamento e i limiti di ciascun tipo è il fondamento di una scelta efficace della valvola.

Valvole a membrana

La valvola a membrana è il tipo di valvola più utilizzato nelle applicazioni di fermentazione igienica e di biotrattamento. Il suo principio di funzionamento è elegante nella sua semplicità: un diaframma flessibile in materiale elastomerico viene premuto contro uno stramazzo o una sella nel corpo della valvola per ottenere la chiusura e retratto per consentire il flusso. Il vantaggio fondamentale di questo design è che il meccanismo di attuazione (volantino, attuatore pneumatico e gruppo coperchio) è completamente separato dal fluido di processo tramite il diaframma. Ciò elimina il rischio che lubrificanti, particelle metalliche o contaminanti esterni entrino nel flusso di processo e significa che non sono presenti guarnizioni dello stelo o premistoppa che possono rilasciare i mezzi di processo nell'atmosfera. Le valvole a membrana sono disponibili sia in configurazioni dirette con corpo a stramazzo che a passaggio pieno, con il tipo a stramazzo che offre prestazioni di intercettazione superiori e il tipo diretto che fornisce un migliore drenaggio e una minore caduta di pressione per fluidi viscosi.

Valvole a farfalla

Le valvole a farfalla sanitarie sono ampiamente utilizzate nelle linee di trasferimento della fermentazione e negli scarichi del fondo dei serbatoi dove è necessario un controllo del flusso di grande diametro a basso costo. Un disco circolare montato su un albero centrale ruota all'interno del corpo della valvola per modulare o interrompere il flusso. Nella configurazione sanitaria, il disco e l'interno del corpo sono lucidati a Ra ≤ 0,8 µm e la tenuta dell'albero utilizza un rivestimento elastomerico sostituibile che fornisce sia la tenuta della sede che la tenuta dell'albero in un unico componente. Le valvole a farfalla offrono un funzionamento rapido a un quarto di giro, dimensioni faccia a faccia compatte e una bassa caduta di pressione in posizione completamente aperta, rendendole adatte allo scarico del serbatoio, alle linee di ritorno CIP e ai collettori di trasferimento di grandi dimensioni. Il loro limite è che il disco centrale rimane sempre nel percorso del flusso anche quando è completamente aperto, il che crea un'ostruzione minore e li rende meno adatti a brodi di fermentazione o fanghi altamente viscosi con un elevato contenuto di solidi.

Valvole a sfera

Le valvole a sfera sanitarie sono dotate di una sfera forata che ruota per allinearsi o bloccare il percorso del flusso, fornendo un flusso a passaggio totale in posizione aperta con una caduta di pressione praticamente nulla. Nei modelli igienici, la sfera e il corpo sono realizzati in acciaio inossidabile 316L con una superficie interna elettrolucidata o lucidata meccanicamente e gli anelli della sede sono realizzati in PTFE o compositi PTFE che forniscono resistenza chimica in un intervallo di pH molto ampio. Le valvole a sfera sono preferite per il servizio di isolamento on/off nelle linee di alimentazione del gas di fermentazione, nelle porte di campionamento e nei circuiti di sterilizzazione perché la loro struttura a passaggio totale consente un drenaggio completo e la loro geometria semplice è facile da pulire in posizione. Tuttavia, generalmente non sono consigliati per il servizio di strozzamento poiché l'apertura parziale provoca nel tempo turbolenza ed erosione delle sedi in PTFE.

Valvole a sede (Mixproof e a sede singola)

Le valvole a sede singola e doppia sede mixproof vengono utilizzate in impianti di fermentazione più complessi in cui più flussi di prodotto devono essere gestiti all'interno della stessa tubazione senza rischio di contaminazione incrociata. Una valvola a sede singola utilizza un otturatore conico o piatto premuto contro una sede lavorata nel corpo della valvola, fornendo eccellenti prestazioni di chiusura e una geometria autodrenante se installata nell'orientamento consigliato. Le valvole Mixproof a doppia sede sono dotate di due elementi di chiusura indipendenti con una cavità di perdita tra di loro che viene scaricata nell'atmosfera: anche se una sede perde, la seconda sede impedisce a qualsiasi prodotto di raggiungere il lato opposto della valvola e qualsiasi perdita viene scaricata in modo sicuro in uno scarico. Questo design a doppia barriera è obbligatorio negli impianti di fermentazione lattiero-caseari e farmaceutici dove la progettazione del processo richiede il trattamento simultaneo di diversi flussi di prodotto in tubazioni condivise.

Selezione dei materiali per corpi valvola e componenti a contatto con il fluido

I materiali utilizzati nelle parti bagnate di una valvola del processo di fermentazione (corpo, elemento di chiusura, sedi e guarnizioni) devono resistere alle condizioni chimiche, termiche e biologiche specifiche del processo mantenendo l'integrità della superficie durante ripetuti cicli di sterilizzazione. La selezione errata del materiale è una delle principali cause di guasto prematuro delle valvole e di contaminazione del processo negli impianti di fermentazione.

• Acciaio inossidabile 316L: Il materiale standard per corpi e parti interne di valvole sanitarie nel settore della fermentazione alimentare, delle bevande e farmaceutica. Il basso contenuto di carbonio del 316L (massimo 0,03% di carbonio) riduce al minimo la sensibilizzazione e la corrosione intergranulare durante i cicli ripetuti di sterilizzazione a vapore. Il suo contenuto di molibdeno fornisce una resistenza superiore alla vaiolatura indotta da cloruro rispetto all'acciaio inossidabile 304, il che è importante nei sistemi CIP che utilizzano ipoclorito di sodio o altri disinfettanti clorurati.
• EPDM (monomero di etilene propilene diene): L'elastomero più utilizzato per diaframmi e guarnizioni di sedi nelle valvole di fermentazione. L'EPDM offre un'eccellente resistenza alla sterilizzazione a vapore, ai prodotti chimici CIP alcalini e ai mezzi acquosi in un ampio intervallo di temperature. Non è compatibile con oli o solventi a base di idrocarburi, ma questo costituisce raramente un problema negli ambienti di fermentazione acquosi.
• PTFE (Politetrafluoroetilene): Utilizzato per gli anelli delle sedi nelle valvole a sfera e come materiale di rivestimento nelle valvole a membrana esposte a condizioni chimiche aggressive. Il PTFE è chimicamente inerte praticamente verso tutti i mezzi di processo incontrati nella fermentazione, inclusi acidi forti, basi forti e disinfettanti ossidanti, ma ha un'elasticità limitata e deve essere serrato con attenzione durante l'assemblaggio per mantenere l'integrità della sede.
• Elastomeri siliconici: Preferito nella fermentazione farmaceutica e biotecnologica per diaframmi e guarnizioni dove la conformità FDA e la minimizzazione degli estraibili sono obbligatori. Il silicone è intrinsecamente a basso contenuto di composti estraibili, autoclavabile a vapore e compatibile con i metodi di sterilizzazione con irradiazione gamma utilizzati nei sistemi di biotrattamento monouso.
• Acciai inossidabili duplex e altolegati: Utilizzato in ambienti di fermentazione aggressivi che comportano elevate concentrazioni di cloruro, mezzi a basso pH o temperature elevate che superano la resistenza alla corrosione dello standard 316L. I gradi duplex come il 2205 o i gradi super-austenitici come il 904L forniscono indici di resistenza alla vaiolatura (PREN) significativamente più elevati per queste condizioni di servizio impegnative.

Standard igienici e requisiti di finitura superficiale

Le valvole del processo di fermentazione utilizzate nella produzione di alimenti, bevande, prodotti lattiero-caseari e farmaceutici devono essere conformi a standard di progettazione igienica riconosciuti che regolano la finitura superficiale, le dimensioni dei bracci morti, la drenabilità e la tracciabilità dei materiali. La conformità a questi standard non è semplicemente una formalità normativa: determina direttamente se la valvola può essere pulita e sterilizzata in modo affidabile durante il servizio senza che vi siano contaminazioni residue tra un lotto e l'altro.

I due principali standard che regolano la progettazione delle valvole igieniche sono gli standard sanitari 3-A (utilizzati principalmente in Nord America) e le linee guida EHEDG (European Hygienic Engineering and Design Group) (utilizzate principalmente in Europa e a livello internazionale per applicazioni farmaceutiche). Entrambi gli standard impongono che la ruvidità della superficie bagnata non debba superare Ra 0,8 µm per la maggior parte delle applicazioni, con Ra 0,4 µm o migliore richiesto per il servizio farmaceutico asettico. La finitura superficiale si ottiene tramite lucidatura meccanica, elettrolucidatura o una combinazione di entrambe: l'elettrolucidatura non solo riduce la ruvidità superficiale ma rimuove anche il ferro incorporato e altri contaminanti superficiali, creando uno strato di ossido di cromo passivato che migliora la resistenza alla corrosione.

Il controllo delle gambe morte è un altro requisito critico di progettazione igienica. Una sezione morta è qualsiasi sezione della tubazione o della cavità della valvola che non viene spazzata dal flusso del processo principale o dal flusso di pulizia CIP, creando una zona stagnante in cui i microrganismi possono accumularsi e moltiplicarsi tra i cicli di pulizia. La regola industriale accettata limita la lunghezza dei tratti morti a non più di 1,5 volte il diametro del tubo. I progetti di valvole che incorporano cavità incassate, porte cieche o camere di impaccamento dello stelo che comunicano con il fluido di processo violano questo requisito e non sono accettabili nel servizio di fermentazione igienico.

Confronto dei tipi di valvole in base all'applicazione di fermentazione

Posizioni diverse nel processo di fermentazione richiedono caratteristiche della valvola diverse. La tabella seguente mappa i tipi di valvole più comuni con i loro punti di applicazione ottimali all'interno di un tipico impianto di fermentazione.

Opzioni di attuazione e automazione nei sistemi di valvole di fermentazione

I moderni impianti di fermentazione funzionano con elevati livelli di automazione e l'attuazione delle valvole è un componente fondamentale dell'architettura di controllo del processo. Le valvole manuali sono adatte per operazioni poco frequenti come l'isolamento per manutenzione o il campionamento manuale, ma la maggior parte delle valvole in un sistema di fermentazione continuo o fed-batch sarà azionata pneumaticamente o elettricamente e controllata dal sistema di controllo distribuito (DCS) della struttura o dal controller logico programmabile (PLC).

Gli attuatori pneumatici sono di gran lunga la tecnologia di attuazione più comune nei sistemi di valvole di fermentazione perché sono semplici, veloci, affidabili e intrinsecamente sicuri in ambienti in cui esiste il rischio di scintille elettriche a causa di solventi o gas infiammabili. Gli attuatori con ritorno a molla a semplice effetto sono la scelta standard per il servizio on/off perché non riescono a raggiungere una posizione sicura definita, completamente aperta o completamente chiusa, in caso di perdita di pressione dell'aria dello strumento. Questo comportamento di sicurezza è essenziale nei sistemi di fermentazione in cui la posizione della valvola nel punto di interruzione dell'alimentazione o dell'aria può determinare se un lotto viene salvato o perso. Gli attuatori a doppio effetto, che richiedono la pressione dell'aria sia per l'apertura che per la chiusura, vengono utilizzati laddove sono necessarie forze di attuazione molto elevate o laddove la posizione di sicurezza non è fondamentale per la sicurezza del processo.

Il feedback sulla posizione della valvola è fornito da interruttori di finecorsa o trasmettitori di posizione montati sul gruppo attuatore, che confermano al sistema di controllo se la valvola è completamente aperta, completamente chiusa o in una posizione intermedia. Nella fermentazione farmaceutica asettica, il sistema di controllo deve ricevere un feedback confermato sulla posizione prima di procedere alla fase successiva di una sequenza automatizzata: una valvola che non riesce a confermare la posizione comandata entro un periodo di timeout definito attiverà un allarme e interromperà la sequenza, impedendo al processo di procedere in uno stato indefinito o non sicuro. I posizionatori con funzionalità di comunicazione HART o bus di campo consentono il monitoraggio continuo della posizione della valvola e la raccolta di dati diagnostici, consentendo programmi di manutenzione predittiva che identificano il degrado della valvola prima che si verifichi un guasto.