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Bei der Herstellung vieler Lebensmittelprodukte müssen die verwendeten Komponenten eine hygienische oder noch besser aseptische Gestaltung, Materialauswahl und Integration aufweisen. Eine Lösung ist die aseptische Membranpumpentechnologie, die in der Lebensmittelindustrie für maximale Produktionssicherheit sorgt.

Die kurzzeitige thermische Behandlung wird in der Lebensmittelindustrie für eine Vielzahl von Produkten wie Milch, Mixgetränke oder flüssige Lebensmittel eingesetzt. Diese Behandlung tötet alle krankheitserregenden Mikroorganismen ab und verlängert die Haltbarkeit der Produkte.

Da es bei der Hochdruckhomogenisierung zu keiner Rekontamination von Lebensmitteln nach der thermischen Behandlung kommen darf, muss auf eine hygienische oder besser noch aseptische Gestaltung, Materialauswahl und Integration aller verwendeten Komponenten geachtet werden.

Bisher wurden in diesen Anwendungen vor allem gepackte Plungerpumpen als Pumpentechnologie eingesetzt. Allerdings ist der Einsatz dieser Pumpen hinsichtlich der aseptischen Produktionssicherheit nur die zweitbeste Wahl. Dies liegt daran, dass trotz eines Designs, das Kolbenpackungskomponenten mit sterilen Barrieren und Spülsystemen berücksichtigt, das Risiko einer Rekontamination nach der CIP/SIP-Reinigung im Prozess besteht.

Darüber hinaus führt die hier entstehende thermische Belastung zu einem erhöhten Verschleiß des Stößels und seines Dichtungssystems. Die Folge ist eine deutlich verkürzte Lebensdauer, insbesondere wenn das behandelte Lebensmittelprodukt abrasive Inhaltsstoffe enthält.

Eine Alternative ist der Einsatz von Prozessmembranpumpen. Sie verfügen über ein hermetisch dichtes Förderteil, das durch eine Membran hermetisch von der Hydraulikkammer und der Prozessumgebung getrennt ist. Dadurch wird eine Kontamination des Inneren der Flüssigkeitskammer verhindert und eine Kontamination des Prozessraums, einschließlich des Lebensmittelprodukts, ausgeschlossen.

Skandale Listerien in Käse, E. Coli-Bakterien in Fleisch und Salmonellen in Babynahrung, Lebensmittelskandale und Rückrufaktionen großer Hersteller sind in letzter Zeit allzu häufig geworden und haben den Ruf der verantwortlichen Hersteller geschädigt. Dieses Phänomen hat das Bewusstsein der Kunden erhöht und den Druck auf die Branche erhöht.

Gerade bei sensiblen Produkten und Produkten mit hohen Hygienestandards ist es zwingend erforderlich, eine hygienische Produktion durch einwandfreie hygienische Prozessschritte sicherzustellen, da so die mikrobiologische Integrität gewährleistet ist. Dabei sind folgende Punkte zu beachten: Um eine hohe mikrobiologische Qualität und dauerhafte Stabilität zu erreichen und gleichzeitig die hohen Erwartungen der Kunden an Aspekte wie hohe Geschmacksqualität, Gesundheit und Nachhaltigkeit der Produkte zu erfüllen, sind sichere und zuverlässige aseptische Herstellungsprozesse erforderlich Produkt.

Kurzfristige thermische Behandlung (UHT-Verfahren) und konsequente nachgeschaltete Aseptiktechnik stellen eine mögliche Lösung dieses Problems durch zuverlässige Lebensmittelverarbeitungstechnik dar.

Neue Trends im Lebensmittel- und Getränkesektor wie unverarbeitete und innovative verzehrfertige Produkte stellen die Lieferkette der Lebensmittelindustrie hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit vor gewisse Herausforderungen. Dies gilt sowohl für die steigenden Ansprüche an die Frische als auch für die Zusatz- und Konservierungsstoffe in Lebensmitteln, die Investitionen in andere Technologien als in den bisherigen Produktionsprozessen erforderlich machen.

Crossover-ProdukteDarüber hinaus wird die Produktionskette durch Crossover-Produkte aus dem Lebensmittel- und Pharmabereich beeinflusst, wie zum Beispiel trinkfertige „Ernährungsgetränke“, die teilweise hohe Anteile an abrasiven Feststoffen (z. B. durch Kalzium und Nüsse) enthalten Inhaltsstoffe mit mikrobiologischer Empfindlichkeit.

Bei der Herstellung solcher Crossover-Produkte sind Erfahrungskenntnisse aus dem pharmazeutischen GMP-Umfeld von Vorteil. Dabei werden Nahrungsergänzungsmittel mit funktionellen Milchproteinquellen, Früchten und Aromen zu neuen Getränken kombiniert, die je nach Säuregehalt und pH-Wert besondere Aufmerksamkeit bei der Herstellung erfordern können.

Diese hohen Anforderungen müssen bei der Formulierung von Babynahrung und hochkalorischer klinischer Ernährung (flüssige enterale/parenterale Nahrung) besonders eingehalten werden. Bei der Verarbeitung gibt es wichtige Aufgaben, die die Pumpentechnik gezielt übernehmen muss, etwa die Zuführung von Rohstoffen und die Erstellung rezepturgerechter Rezepturen, darunter das Dosieren und Mischen der Zutaten im richtigen Verhältnis.

Da die Endprodukte idealerweise bei Raumtemperatur gelagert werden und eine längere Haltbarkeit im Regal haben sollen, empfiehlt sich auch hier eine kurzfristige thermische Behandlung. Es handelt sich um die optimale Technologie zur Abtötung von Fremdkeimen mit hoher Geschwindigkeit, gefolgt von einer aseptischen Hochdruckhomogenisierung mittels Membranpumpentechnik. Dies verhindert eine erneute Kontamination und sorgt für eine schonende Produktbehandlung.

Freiheit und Sicherheit Die Hochdruckhomogenisierung ist ein Anwendungsgebiet, das Herausforderungen an die Pumpentechnik stellt. Die in diesem Bereich eingesetzten Systeme bestehen aus einer Hochdruckpumpe als Druckerzeuger sowie einem hydraulischen Verbraucher, dem sogenannten Homogenisierungsventil.

Die Aufgabe der Pumpe besteht darin, die Energie für die Dispergierung im Ventil zu erzeugen, die zu dispergierende Flüssigkeit zu fördern und dabei für die exakte Durchflussmenge zu sorgen. Generell lassen sich Homogenisatoren grob in folgende Stufen einteilen:

• Nieder-/Mitteldruckhomogenisierung: 50–500 bar (typischerweise in der Lebensmittelindustrie, z. B. bei ca. 400 bar, Tendenz steigend)

• Mitteldruckhomogenisierung: 500–700 bar (in der chemischen, kosmetischen und anderen Industrie)

• Hochdruckhomogenisierung: 700–2.000 bar (z. B. zum Zellaufschluss zur Freisetzung von Metaboliten in der Biotechnologieindustrie oder zur pyrogenfreien Liposomenherstellung in der pharmazeutischen Formulierung)

• Ultrahochdruckhomogenisierung: 2.000–40.000 bar (zur Keimabtötung/Konservierung von Lebensmitteln)

Die Hochdruckhomogenisierung dient vor allem dazu, Komponenten in Fragmente zu zerlegen und als Teil einer Emulsion oder Dispersion zu vermischen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Milchhomogenisierung. Bei dieser Anwendung soll eine Fettagglomeration (Aufrahmung) verhindert werden. Die eingesetzte Technologie darf sich nicht negativ auf die Qualität der Produkte auswirken. Dies gilt insbesondere für Babynahrung.

Ziel ist es, durch die Wahl der richtigen Produktionskomponenten die Eigenschaften der Muttermilch möglichst genau nachzubilden. Bei diesem Produkt sind absolute Rückstandsfreiheit und höchste mikrobielle Sicherheit grundsätzlich erforderlich. Die aseptischen Systeme und die darin verbauten prozesstechnischen Geräte (z. B die Pumpen) müssen hinsichtlich Materialauswahl und Design diesen Standards genügen. Jeder Kompromiss oder Installationsfehler kann sich später als Kontaminationsquelle herausstellen.

Arbeitsprinzipien Die Kolbenhochdruckpumpen, mit denen die Hochdruckhomogenisierungsmaschinen ausgestattet sind, sind erforderlich, um die Flüssigkeit von der Saugseite durch eine Förderpumpe (normalerweise eine Kreiselpumpe) zu pumpen, indem der Druck auf die Homogenisierungseinheit (einstufig oder zweistufig) erhöht wird. Stufenventil). Homogenisatorpumpen sind mit drei bis sechs Pumpenköpfen ausgestattet. Prozessmembranpumpen zeichnen sich durch ihre robuste Monoblockbauweise und das integrierte Schneckengetriebe mit hoher hydraulischer Leistung durch hohe Laufruhe aus.

Flüssigkeitsventile mit anwendungsspezifischem Design, die auf Verschleiß und Hygiene optimiert sind, sorgen für eine zuverlässige Förderung sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite der Pumpe. Automatisierte Homogenisierungsventile werden pneumatisch und hydraulisch gesteuert.

Die Tröpfchengröße während der Homogenisierung wird hauptsächlich durch die Kavitation in der Kammer der zweiten Stufe bestimmt und ist vom dortigen Druckabfall abhängig. Unter der Annahme, dass inkompressible Flüssigkeiten gefördert werden, verringert sich die Durchflussrate einer Kolbenmembran-Prozesspumpe um einen kleinen Betrag, wenn der Druck steigt, und kann als nahezu konstanter Wert behandelt werden.

Druckschwankungen zwischen einer Kolbenpumpe und dem Homogenisatorventil können durch pulsationsglättende Maßnahmen entgegengewirkt werden. Dazu gehört die Auswahl geeigneter Betriebspunkte der Pumpe und Dämpfungsmaßnahmen an der Rohrleitung. Hierbei können ganz spezifische dynamische Simulationsprogramme im Rahmen einer Pulsationsanalyse Unterstützung bei der Auslegung leisten.

Bei Homogenisierungsaufgaben nach der UHT-Behandlung müssen die Homogenisierungspumpe und das Homogenisierungsventil stets den aseptischen Anforderungen genügen, damit die Unversehrtheit der behandelten Produkte gewährleistet bleibt. Allerdings sind viele heute noch verwendete Pumpen Kolbenpumpen.

Beachten Sie bei diesem Gerätetyp, dass Kolbenpackungskomponenten mit sterilen Barrieren und Spülsystemen in die Konstruktion integriert werden müssen, um eine erneute Kontamination nach der CIP/SIP-Reinigung im Prozess zu verhindern. Darüber hinaus sind bei dieser Pumpenklasse Verunreinigungen durch Kolbenabrieb im Packungsbereich nicht auszuschließen. Die bevorzugte Option für aseptische Prozesse ist daher die Ausstattung der Homogenisierungsschritte mit hermetisch dichten Prozessmembranpumpen.

Membrantechnologie Die Membranpumpe kann als gelungene Weiterentwicklung der Kolbenpumpe angesehen werden. Die Membranpumpe erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % (im Vergleich zu sogenannten Triplex-Membranpumpen, also mit drei Pumpenköpfen). Die Pumpe zeichnet sich durch einen geringen Verschleiß und durch nahezu vom Förderdruck unabhängige Fördermengen aus.

Bei Homogenisierungsanwendungen profitieren Anwender enorm davon, dass Membranpumpen so konzipiert sind, dass sie ohne dynamische Dichtungssysteme auskommen. Dies garantiert einen hermetisch dichten Pumpenkopf, d. h. keine Emissionen oder Substratlecks aus dem Inneren des Systems sowie kein Eindringen von Keimen von außen.

Dadurch kann eine Flüssigkeitsverunreinigung ausgeschlossen werden. Damit ist die Membranpumpe die perfekte Lösung für anspruchsvolle Anwendungen. Es eignet sich für Medien, die beispielsweise leckagefrei und absolut betriebssicher gepumpt werden müssen, weil sie gefährlich oder abrasiv sind und auf keinen Fall in die Produktionsumgebung gelangen dürfen, oder für Medien wie Babynahrung, die steril und frei bleiben müssen der Kontamination.

Spezielle AnpassungenEine hygienische oder aseptische Anwendung erfordert zusätzlich spezielle Anpassungen des Membranpumpenkopfes: Ein geeignetes Pumpenkopfmaterial wie Edelstahl 1.4404 oder alternativ besonders korrosionsbeständige austenitische Materialien wie 1.4439 oder 1.4462 (Duplex), polierte Oberflächen mit einer Ein RA-Wert < 0,8 µm und totraumarme und spaltfreie Flüssigkeitskammern ermöglichen die wiederholte und effiziente Durchführung von CIP/SIP-Reinigungsschritten und gewährleisten so einen sterilen Betrieb ohne Demontage.

Die Konstruktion und Installation der Pumpe sollte jedoch eine regelmäßige Überprüfung der Reinigungsergebnisse ermöglichen und gleichzeitig die sterilen Schnittstellen in der Rohrführung minimieren.

Richtlinien wie die der European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG), insbesondere Dokument 17 („Hygienic Design of Pumps, Homogenizers and Dampening Devices“) oder die 3-A Sanitary Standards 44-03 („Sanitary Standards for Diaphragm Pumps“) ) und 04-05 („Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating Pumps“) geben Auskunft darüber, wie Pumpen für die Lebensmittelindustrie zu konzipieren und zu installieren sind.

Hygienische Designaspekte hinsichtlich Reinigung, Entleerungsfähigkeit der Pumpe, Ventile und Verrohrung steriler Systeme für die Gestaltung aseptischer Prozessanschlüsse von Membranpumpen finden sich auch im ASME BPE Standard in der für den konkreten Anwendungsfall gültigen Fassung.

Abhängig von der Prozessanforderung und der erforderlichen Druckstufe können Prozessmembranpumpen mit einer EU 10/2011 konformen, mehrschichtigen PTFE-Membran (bis 700 bar) ausgestattet werden.

Bei Milchprodukten ist der Übergang von der Füllkolben- zur Membranpumpentechnologie ein entscheidender Schritt, um einen Prozess über die erforderliche Prozesszeit bis zur nächsten CIP/SIP-Reinigung frei von unerwünschten Mikroorganismen zu halten . Zur Aufrechterhaltung einer aseptischen Prozesskette auf der ganzen Linie eignen sich hermetisch dichte Hochdruck-Membranpumpen auch zur Beschickung von Sprühtürmen mit den aseptischen und hygienisch sehr sensiblen Milchkonzentraten.