چگونه شیر فرآیند تخمیر مناسب را برای عملکرد بهداشتی و قابل اطمینان انتخاب می کنید؟

چرا انتخاب دریچه در سیستم های فرآیند تخمیر حیاتی است؟

در هر فرآیند تخمیر - اعم از دم کردن آبجو، تولید داروها، کشت پروبیوتیک ها، یا تولید آنزیم های صنعتی - دریچه ها از مهم ترین اجزای سیستم هستند. آنها جریان محیط، آبگوشت کشت، مواد پاک کننده، بخار و گازها را از طریق بیوراکتورها، خطوط انتقال و تجهیزات پردازش تنظیم می کنند. دریچه ای که نشت می کند، حاوی آلودگی میکروبی است، مواد خارجی وارد می کند، یا به طور قابل اعتماد آب بندی نمی شود، می تواند کل دسته تخمیر به ارزش هزاران یا حتی صدها هزار دلار را به خطر بیندازد. فراتر از از دست دادن دسته ای، انتخاب نامناسب دریچه در تخمیر دارویی یا غذایی می تواند منجر به رویدادهای عدم انطباق مقرراتی شود که منجر به تعطیلی تأسیسات یا فراخوان محصول می شود.

چالش انتخاب صحیح شیر فرآیند تخمیر نهفته در ترکیب منحصر به فرد از خواسته های اعمال شده بر روی این اجزا است. آنها باید در طول تخمیر فعال در برابر فشارهای داخلی یک مهر و موم هرمتیک داشته باشند، در برابر چرخه های استریلیزاسیون تهاجمی با استفاده از بخار یا مواد شیمیایی سوزاننده مقاومت کنند، در برابر خوردگی ناشی از محیط های فرآیند اسیدی یا قلیایی مقاومت کنند، و سطوح داخلی را ارائه دهند که می توانند به طور کامل بدون پاهای مرده یا شکاف هایی که میکروارگانیسم ها در آن تجمع می کنند تمیز شوند. هیچ نوع شیری به طور یکسان تمام این الزامات را در هر برنامه ای برآورده نمی کند، به همین دلیل است که مهندسان فرآیند با تجربه طرح های مختلف شیر را برای نقاط مختلف در قطار فرآیند تخمیر انتخاب می کنند.

رایج ترین انواع شیر مورد استفاده در تخمیر

چندین طرح متمایز دریچه در سراسر سیستم های تخمیر به کار می رود که هر کدام دارای نقاط قوت عملکردی خاصی هستند که آن را برای شرایط خدمات خاص مناسب می کند. درک اصل عملکرد و محدودیت های هر نوع، اساس انتخاب موثر شیر است.

شیرهای دیافراگمی

شیر دیافراگمی پرکاربردترین نوع شیر در کاربردهای تخمیر بهداشتی و پردازش زیستی است. اصل عملکرد آن در سادگی آن ظریف است: یک دیافراگم انعطاف پذیر ساخته شده از مواد الاستومری بر روی یک سرریز یا زین در بدنه دریچه فشار داده می شود تا بسته شود، و جمع می شود تا جریان جریان یابد. مزیت حیاتی این طراحی این است که مکانیسم تحریک - چرخ دستی، محرک پنوماتیکی و مجموعه کلاه - به طور کامل توسط دیافراگم از سیال فرآیند جدا می شود. این امر خطر ورود روان‌کننده‌ها، ذرات فلزی یا آلاینده‌های خارجی به جریان فرآیند را از بین می‌برد و به این معنی است که هیچ مهر و موم ساقه یا غدد بسته‌بندی وجود ندارد که بتواند محیط فرآیند را به جو نشت کند. دریچه‌های دیافراگمی در هر دو پیکربندی سرریز و تمام سوراخ مستقیم موجود می‌باشند، با نوع سرریز عملکرد قطعی عالی و نوع مستقیم زهکشی بهتر و افت فشار کمتری را برای محیط‌های چسبناک ارائه می‌دهد.

شیرهای پروانه ای

شیرهای پروانه ای بهداشتی به طور گسترده در خطوط انتقال تخمیر و خروجی های پایین مخزن که در آن کنترل جریان با قطر زیاد با هزینه کم مورد نیاز است استفاده می شود. یک دیسک دایره‌ای که بر روی یک شفت مرکزی نصب شده است، درون بدنه شیر می‌چرخد تا جریان را تعدیل یا قطع کند. در پیکربندی بهداشتی، دیسک و داخل بدنه تا 0.8 میکرومتر Ra ≤ جلا داده می شوند و مهر و موم شفت از یک آستر الاستومری قابل تعویض استفاده می کند که هم مهر و موم صندلی و هم مهر و موم شفت را در یک جزء واحد فراهم می کند. شیرهای پروانه ای عملکرد سریع یک چهارم چرخش، ابعاد جمع و جور رو به رو، و افت فشار کم را در موقعیت کاملا باز ارائه می دهند، که آنها را برای تخلیه مخزن، خطوط برگشت CIP و هدرهای انتقال بزرگ مناسب می کند. محدودیت آنها این است که دیسک مرکزی همیشه در مسیر جریان باقی می ماند، حتی زمانی که کاملا باز است، که یک انسداد جزئی ایجاد می کند و آنها را برای آبگوشت های تخمیر بسیار ویسکوز یا دوغاب با محتوای جامد بالا مناسب نمی کند.

شیرهای توپی

دریچه های توپی بهداشتی دارای یک کره حفر شده هستند که می چرخد تا مسیر جریان را تراز یا مسدود کند و جریان تمام سوراخ را در موقعیت باز با افت فشار تقریباً صفر فراهم کند. در طرح های بهداشتی، توپ و بدنه از فولاد ضد زنگ 316 لیتری با سطح داخلی برقی یا مکانیکی صیقلی شده ساخته می شوند و حلقه های صندلی از کامپوزیت های PTFE یا PTFE ساخته می شوند که مقاومت شیمیایی در محدوده PH بسیار وسیعی را ایجاد می کنند. شیرهای توپی برای خدمات ایزوله روشن/خاموش در خطوط تامین گاز تخمیر، پورت‌های نمونه‌برداری و مدارهای استریلیزاسیون ترجیح داده می‌شوند، زیرا ساختار تمام سوراخ آن‌ها اجازه زهکشی کامل را می‌دهد و هندسه ساده آن‌ها به راحتی در محل تمیز می‌شود. با این حال، آنها به طور کلی برای سرویس دریچه گاز توصیه نمی شوند زیرا باز شدن جزئی باعث تلاطم و فرسایش صندلی های PTFE در طول زمان می شود.

شیرهای صندلی (مخلوط و تک سرنشین)

دریچه‌های دو صندلی تک‌نصبی و ضد مخلوط در تأسیسات تخمیر پیچیده‌تر استفاده می‌شوند که در آن جریان‌های چندگانه محصول باید در یک لوله‌کشی بدون خطر آلودگی متقابل استفاده شوند. یک شیر تک صندلی از یک پلاگ مخروطی یا مسطح فشرده شده بر روی یک صندلی ماشینکاری شده در بدنه شیر استفاده می کند که عملکرد قطعی عالی و هندسه خود تخلیه را هنگام نصب در جهت توصیه شده ارائه می دهد. شیرهای دو صندلی ضد مخلوط دارای دو عنصر بسته کننده مستقل با یک حفره نشتی بین آنها هستند که به اتمسفر تخلیه می شود - حتی اگر یکی از صندلی ها نشتی داشته باشد، صندلی دوم از رسیدن هر محصولی به طرف مقابل شیر جلوگیری می کند و هرگونه نشتی با خیال راحت به تخلیه تخلیه می شود. این طرح دو مانع در تأسیسات تخمیر لبنیات و دارویی که در آن پردازش همزمان جریان‌های محصول مختلف در لوله‌کشی مشترک توسط طراحی فرآیند مورد نیاز است، الزامی است.

انتخاب مواد برای بدنه شیر و اجزای خیس شده

مواد مورد استفاده در قسمت‌های خیس‌شده دریچه فرآیند تخمیر - بدنه، عنصر بسته‌کننده، نشیمنگاه‌ها و مهر و موم‌ها - باید در برابر شرایط شیمیایی، حرارتی و بیولوژیکی خاص فرآیند مقاومت کنند و در عین حال یکپارچگی سطح را در چرخه‌های مکرر استریل‌سازی حفظ کنند. انتخاب نادرست مواد یکی از دلایل اصلی شکست زودرس شیر و آلودگی فرآیند در تاسیسات تخمیر است.

• فولاد ضد زنگ 316 لیتر: ماده استاندارد برای بدنه شیرهای بهداشتی و مواد داخلی در غذا، نوشیدنی و تخمیر دارویی. محتوای کربن کم 316L (حداکثر 0.03 درصد کربن) حساسیت و خوردگی بین دانه ای را در طی چرخه های مکرر استریلیزاسیون بخار به حداقل می رساند. محتوای مولیبدن آن در مقایسه با 304 ضد زنگ، مقاومت بالایی در برابر حفره های ناشی از کلرید ایجاد می کند، که در سیستم های CIP با استفاده از هیپوکلریت سدیم یا سایر ضدعفونی کننده های کلردار مهم است.
• EPDM (مونومر اتیلن پروپیلن دی ان): پرکاربردترین الاستومر برای دیافراگم و نشیمن بند در شیرهای تخمیر. EPDM مقاومت عالی در برابر استریلیزاسیون با بخار، مواد شیمیایی CIP قلیایی و محیط های آبی در طیف وسیعی از دمایی ارائه می دهد. این با روغن ها یا حلال های مبتنی بر هیدروکربن سازگار نیست، اما به ندرت در محیط های تخمیر آبی نگران کننده است.
• PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن): برای حلقه های نشیمنگاه در شیرهای توپی و به عنوان ماده آستر در شیرهای دیافراگمی در معرض شرایط شیمیایی تهاجمی استفاده می شود. PTFE از نظر شیمیایی نسبت به تمام محیط‌های فرآیندی که در تخمیر با آن مواجه می‌شوند، از جمله اسیدهای قوی، بازهای قوی و ضدعفونی‌کننده‌های اکسیدکننده بی‌اثر است، اما خاصیت ارتجاعی محدودی دارد و برای حفظ یکپارچگی نشیمنگاه باید به دقت در هنگام مونتاژ گشتاور شود.
• الاستومرهای سیلیکونی: در تخمیر داروسازی و بیوتکنولوژی برای دیافراگم ها و مهر و موم ها که مطابق با FDA و به حداقل رساندن مواد قابل استخراج الزامی است، ترجیح داده می شود. سیلیکون ذاتاً دارای ترکیبات قابل استخراج کم است، قابل اتوکلاو با بخار است و با روش‌های استریلیزاسیون پرتو گاما که در سیستم‌های پردازش زیستی یکبار مصرف استفاده می‌شوند، سازگار است.
• فولادهای ضد زنگ دوبلکس و آلیاژی بالا: در محیط‌های تخمیر تهاجمی شامل غلظت‌های کلرید بالا، محیط‌های pH پایین یا دماهای بالا که از مقاومت به خوردگی استاندارد 316L بیشتر است استفاده می‌شود. گریدهای دوبلکس مانند 2205 یا گریدهای فوق آستنیتی مانند 904L شاخص های مقاومت حفره ای (PREN) به طور قابل توجهی بالاتری را برای این شرایط خدمات سخت ارائه می دهند.

استانداردهای بهداشتی و الزامات تکمیل سطح

دریچه‌های فرآیند تخمیر مورد استفاده در تولید مواد غذایی، نوشیدنی، لبنیات و دارو باید با استانداردهای طراحی بهداشتی شناخته‌شده مطابقت داشته باشند که بر سطح، ابعاد پاهای مرده، قابلیت تخلیه و قابلیت ردیابی مواد حاکم است. انطباق با این استانداردها صرفاً یک تشریفات قانونی نیست - مستقیماً تعیین می‌کند که آیا می‌توان شیر را به‌طور قابل اعتمادی در سرویس تمیز و استریل کرد، بدون اینکه آلودگی باقی‌مانده بین دسته‌ها وجود داشته باشد.

دو استاندارد اصلی حاکم بر طراحی شیرهای بهداشتی عبارتند از استانداردهای بهداشتی 3-A (که عمدتاً در آمریکای شمالی استفاده می شود) و دستورالعمل های EHEDG (گروه مهندسی و طراحی بهداشتی اروپایی) (که عمدتاً در اروپا و بین المللی برای کاربردهای دارویی استفاده می شود). هر دو استاندارد مقرر می‌دارند که زبری سطح خیس‌شده برای اکثر کاربردها نباید از 0.8 میکرومتر Ra تجاوز کند، و Ra 0.4 میکرومتر یا بهتر برای خدمات دارویی آسپتیک مورد نیاز است. پرداخت سطح از طریق پرداخت مکانیکی، پولیش الکتریکی یا ترکیبی از هر دو به دست می‌آید – پولیش الکتریکی نه تنها زبری سطح را کاهش می‌دهد، بلکه آهن جاسازی شده و سایر آلودگی‌های سطح را نیز از بین می‌برد و یک لایه اکسید کروم غیرفعال ایجاد می‌کند که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد.

کنترل پای مرده یکی دیگر از الزامات حیاتی طراحی بهداشتی است. پایه مرده هر قسمتی از لوله کشی یا حفره شیر است که توسط جریان اصلی فرآیند یا جریان تمیز کردن CIP جاروب نمی شود و یک منطقه راکد ایجاد می کند که در آن میکروارگانیسم ها می توانند در بین چرخه های تمیز کردن تجمع و تکثیر شوند. قاعده پذیرفته شده صنعت، پایه های مرده را به بیش از 1.5 برابر قطر لوله در طول محدود می کند. طرح‌های دریچه‌هایی که دارای حفره‌های فرورفته، پورت‌های کور یا محفظه‌های بسته‌بندی ساقه هستند که با سیال فرآیند ارتباط دارند، این الزام را نقض می‌کنند و در سرویس تخمیر بهداشتی قابل قبول نیستند.

مقایسه انواع شیرها با استفاده از تخمیر

موقعیت های مختلف در قطار فرآیند تخمیر، ویژگی های مختلف شیر را می طلبد. جدول زیر متداول ترین انواع شیرها را به نقاط کاربرد بهینه آنها در یک مرکز تخمیر معمولی نشان می دهد.

گزینه های فعال سازی و اتوماسیون در سیستم های شیر تخمیر

تاسیسات تخمیر مدرن با سطوح بالایی از اتوماسیون کار می کنند و فعال سازی سوپاپ جزء اصلی معماری کنترل فرآیند است. شیرهای دستی برای عملیات نادر مانند جداسازی تعمیر و نگهداری یا نمونه برداری دستی مناسب هستند، اما اکثر شیرها در یک سیستم تخمیر پیوسته یا تغذیه شده به صورت پنوماتیک یا الکتریکی توسط سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یا کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) فعال و کنترل می شوند.

محرک های پنوماتیکی تا حد زیادی رایج ترین فناوری فعال سازی در سیستم های شیر تخمیر هستند زیرا در محیط هایی که خطر جرقه الکتریکی به دلیل حلال ها یا گازهای قابل اشتعال وجود دارد، ساده، سریع، قابل اعتماد و ذاتاً ایمن هستند. محرک‌های فنری برگشتی تک کاره انتخاب استانداردی برای سرویس روشن/خاموش هستند، زیرا در صورت از دست دادن فشار هوای ابزار، در موقعیت ایمن تعریف‌شده - یا کاملاً باز یا کاملاً بسته- قرار نمی‌گیرند. این رفتار بی‌خطر در سیستم‌های تخمیر ضروری است که موقعیت سوپاپ در نقطه قطع برق یا هوا می‌تواند تعیین کند که آیا یک دسته ذخیره شده یا از دست می‌رود. محرک‌های دو کاره، که برای باز کردن و بسته شدن نیاز به فشار هوا دارند، در جاهایی استفاده می‌شوند که نیروهای محرک بسیار بالایی مورد نیاز است یا موقعیت‌های ایمن برای ایمنی فرآیند حیاتی نیست.

بازخورد موقعیت سوپاپ توسط سوئیچ های محدود یا فرستنده های موقعیت نصب شده بر روی مجموعه محرک ارائه می شود که به سیستم کنترل تأیید می کند که آیا شیر کاملاً باز است یا کاملاً بسته است یا در یک موقعیت متوسط ​​است. در تخمیر دارویی آسپتیک، سیستم کنترل باید قبل از رفتن به مرحله بعدی در یک توالی خودکار، بازخورد موقعیت تأیید شده را دریافت کند - دریچه ای که موقعیت فرمان خود را در یک بازه زمانی تعیین شده تأیید نمی کند، زنگ هشدار را ایجاد می کند و توالی را متوقف می کند و از ادامه فرآیند در حالت نامشخص یا ناایمن جلوگیری می کند. موقعیت‌دهنده‌های دارای قابلیت ارتباط HART یا فیلدباس، نظارت مستمر موقعیت سوپاپ و جمع‌آوری داده‌های تشخیصی را امکان‌پذیر می‌کنند و برنامه‌های تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده را فعال می‌کنند که تخریب سوپاپ را قبل از وقوع خرابی شناسایی می‌کنند.