Pompage Hygiénique et efficace

La pompe d’alimentation ideale est taillee sur mesure pour le produit

Qu'est-ce qui rend une pompe hygiéniquement conçue et donc utilisable dans l'industrie alimentaire?

Les pompes pour applications alimentaires doivent être conçues de façon hygiénique et pouvoir être nettoyées et entretenues aisément dans l’optique d’arrêts minimaux. Il est tout aussi important de faire correspondre la pompe au produit. L’incompatibilité entre la pompe et le produit peut en effet endommager à la fois la pompe et le produit, ce qui engendre une qualité de produit qui n’est pas optimale. Quels sont les types de pompe usuels pour l’industrie alimentaire et quels en sont les principaux points d’attention?

Pompes centrifuges

Principe de fonctionnement

Par essence, les pompes centrifuges sont constituées d’un corps de pompe et d’un impulseur à ailettes. La rotation de l’impulseur donne au liquide pompé une vitesse en fonction de la circonférence extérieure de l’impulseur, ce qui résulte dans une force centrifuge qui comprime le liquide vers la circonférence extérieure. L’énergie mécanique de l’impulseur est convertie dans une énergie potentielle et cinétique.

Applications

Les pompes centrifuges sont un choix populaire pour la production de liquides fluides, et donc notamment des boissons (vin, bière, jus, concentrés …). Elles transportent aussi sans problème des liquides fluides avec des ingrédients solides, moyennant une conception d’impulseur adaptée.

Paramètres

Il existe trois types d’impulseurs de base: des impulseurs fermés, des impulseurs semi-ouverts et des impulseurs ouverts. L’impulseur approprié dépend du fluide à pomper, de la présence – et de la nature – des ingrédients solides, et de la capacité et l’hauteur de refoulement désirées. Les impulseurs fermés offrent le plus haut rendement tandis que les types ouverts offrent l’espace nécessaire pour pomper des liquides fluides avec des ingrédients solides. La largeur des ailettes et la vitesse de rotation déterminent en grande partie la capacité de pompage et l’absence d’obstruction. Le diamètre de l’impulseur et la vitesse de sa rotation déterminent la hauteur de refoulement (pression de pompe).
Si des liquides avec des ingrédients solides sont pompés, l’utilisation de matériaux durs, résistants à l’usure (p.ex. PE, chrome) pour les composants internes aide à protéger la pompe.

Pompe centrifuge pour applications alimentaires. 1 : pas de petits espaces morts autour des joints toriques, 2 : logement inox laminé à froid, 3 : vaste chambre d’étanchéité pour un parfait nettoyage, 4 : exécution monobloc avec moteurs IEC standard, 5 : joints axiaux mécaniques standardisés, 6 : un seul diamètre de joint — Pompe centrifuge pour applications alimentaires. 1 : pas de petits espaces morts autour des joints toriques,
2 : logement inox laminé à froid, 3 : vaste chambre d’étanchéité pour un parfait nettoyage, 4 : exécution monobloc avec moteurs IEC standard, 5 : joints axiaux mécaniques standardisés, 6 : un seul diamètre de joint

Avantages et inconvénients

En général, les pompes centrifuges ont quelques avantages par rapport aux pompes volumétriques – que nous commentons plus loin. Primo, elles sont assez compactes. De plus, la construction est relativement simple, ce qui se traduit par un prix d’achat inférieur. Elles ont moins de pièces mobiles, ce qui les rend généralement adaptées aux applications avec un fonctionnement plus long, voire continu, de la pompe. La simplicité de construction des pompes centrifuges facilite leur production dans différents matériaux possibles, dont les plastiques et la fonte pour les applications plus légères, et l’inox pour les applications plus corrosives ou hygiéniques. Ces matériaux adaptés sont effectivement nécessaires pour pomper par exemple des liquides abrasifs ou corrosifs, autrement les frais d’entretien peuvent vite grimper.

Les pompes centrifuges sont un choix populaire dans l’industrie alimentaire en raison des débits élevés (et stables), les plus importants dans leur genre. Dès ors, elles conviennent moins aux produits sensibles à l’effort de cisaillement (voir ‘Pompes volumétriques’). Sur les pompes centrifuges évoquées, l’impulseur doit donner au produit pompé une vitesse et une énergie minimales – pour surmonter les pertes du système –, ce qui induit inévitablement un plus grand effort de cisaillement. Avec des modèles à faible rendement, la hauteur de refoulement est généralement limitée, de sorte que le temps de séjour dans la pompe est plus long et que le produit est donc soumis à des forces de cisaillement plus longtemps.

La plupart des pompes centrifuges ne sont pas auto-aspirantes, ce qui revient à dire que la pompe ne peut fonctionner que si le corps de pompe contient assez de liquide et que l’impulseur est donc en contact avec une quantité suffisante de liquide. En soi elles ne conviennent pas pour une arrivée interrompue du produit. Les pompes ne se destinent pas non plus à un dosage très précis car elles produisent un débit variable avec une pression variable – le débit varie selon le point de fonctionnement de la pompe.

Pompes volumetriques

Principe de fonctionnement

Les pompes volumétriques ou à pistons rotatifs sont une large catégorie avec de nombreux sous-types qui, tous, déplacent un volume constant de produit d’un espace à basse pression vers un espace à pression plus élevée. Leur débit est généralement plus faible que pour les pompes centrifuges mais ne dépend pas de la pression de refoulement. La pression de refoulement maximale est du reste exclusivement limitée par la résistance mécanique de la pompe.

Exemple d’une pompe volumétrique (ici pompe à vis excentrique). 1 : rotor en inox poli, 2 : paroi stator en mince élastomère résistant à la chaleur, 3 : assemblages hygiéniques ouverts (graissage par le produit) sans zones mortes, 4 : axe d’entraînement et axe d’assemblage avec bielle et deux assemblages hygiéniques, 5 : joints axiaux food grade, 6 : tube de protection en inox pour le stator, 7 : entraînement direct bridé au puits de pompe pour la compacité et un besoin limité d’entretien

Applications

Cette catégorie de pompe convient au pompage de liquides visqueux (avec ou sans ingrédients solides) tels que glaçage, pâte, fourrages de fruit et purées, alimentation pour bébé, pâte à la tomate et sauces, crème, fromage chaud … mais aussi des produits visqueux pour lesquels les efforts de cisaillement attaquent la qualité essentielle. L’effort de cisaillement est le mouvement relatif entre deux couches de liquide adjacentes et se produit essentiellement sur le côté extérieur dans la pompe, et à hauteur des composants mobiles. Certains produits visqueux deviennent plus fluides avec un effort de cisaillement croissant et des vitesses d’écoulement plus élevées. Ceci peut être souhaité dans certaines applications, pour pomper le produit plus facilement. Pour d’autres produits, ceci peut toutefois influencer de façon négative une caractéristique essentielle de la qualité. Certains produits – dans certains cas de haute qualité – y sont très sensibles. Des exemples sont le yaourt, la mayonnaise, le ketchup …

Paramètres

Cette pompe volumétrique de conception hygiénique est notamment utilisée dans une boulangerie industrielle. Un espace entre l’extrémité humide (tête de pompe) et l’extrémité puissance (logement de palier) de la pompe fait en sorte que le liquide s’écoule dans le cas d’un joint défectueux et élimine le risque de contamination

Les pompes à pistons rotatifs avec de plus grandes chambres de pompage telles que les pompes à vis, les pompes à lobes et aussi les pompes péristaltiques (pompes à tuyaux flexibles) créent typiquement un écoulement plus fluide et entraînent des efforts de cisaillement plus faibles.

Grâce à leur jeu interne, les pompes à vis, pompes péristaltiques et pompes à lobes avec rotors (caoutchoutés) adaptés conviennent parfaitement au pompage de liquide à haute teneur d’ingrédients solides. Grâce à leur débit constant (par rapport à la vitesse de rotation), à l’écoulement fluide et à la faible pulsation – malgré d’éventuelles changements de pression –, les pompes péristaltiques et pompes à membrane (pompes à diaphragme) se destinent à un usage précis. Du reste, toutes les pompes volumétriques peuvent pomper dans les deux sens.

Pour les applications à températures plus élevées, les pompes à lobes ont des rotors adaptés qui sont juste un peu plus petits que le carter afin de compenser la dilatation thermique.

Avantages et inconvénients

Les pompes volumétriques conviennent aux hautes pressions – et ont une très grande capacité d’aspiration, même si le produit contient du gaz. Chaque pompe volumétrique convient comme pompe de dosage. Le débit se règle avec une extrême précision et de façon reproductible. Sur les variantes vibrantes (pompes à piston, pompes à membrane), des entraînements aussi bien pneumatiques qu’hydrauliques et électromagnétiques sont possibles. De plus, elles conviennent aussi aux vitesses d’entraînement basses.

Du côté des inconvénients, il convient de mentionner que les pompes volumétriques comportent généralement plus de composants d’usure que les pompes centrifuges. En raison du principe de fonctionnement, il n’y a pas de limite de pression, donc les pompes volumétriques exigent des soupapes de sécurité. Dans des conceptions plus complexes, ceci peut induire des constructions sensibles aux erreurs avec des soupapes. Sur les pompes volumétriques vibrantes, le fonctionnement sans vibration est uniquement possible moyennant un complexe équilibrage de masse. Ces pompes sont moins appropriées pour des vitesses élevées. Etant donné que les pompes volumétriques vibrantes pulsent, elles exigent un amortisseur de pulsation.

Large eventail de varietes de pompe

Sur cette pompe à lobes, la fixation du rotor et l’entraînement en dehors de la chambre de pompe et les rotors ont un recto et un verso entièrement planes dans zones mortes afin que le produit ne puisse pas s’accrocher

Il existe encore différentes variantes des types de pompe commentés, qui peuvent également être conçues sur mesure pour une application spécifique. Les possibilités sont légion mais dans l’optique de la qualité et de la sécurité alimentaires générales et pour une productivité maximale, chaque concept doit en tout cas satisfaire aux conditions d’une bonne conception hygiénique.

Par exemple, des modèles spécifiques combinent les avantages d’une pompe centrifuge avec ceux d’une pompe à lobes, afin de pomper des matières visqueuses et des pâtes mais également fluides, de sorte que la pompe peut être nettoyée au moyen du CIP (Cleaning-in-place).

Points d’attention lors du choix

Impact minimal sur le produit

Une pompe qui n’est pas assez ou pas du tout adaptée à l’application peut entraîner des modifications de structure indésirables dans le produit. Des composants de pompe peuvent par exemple endommager le produit physiquement – songez à l’aplatissement des olives ou de fruits entiers à hauteur du ventilateur de pompe. Le système de pompe peut aussi occasionner des efforts de cisaillement dans le produit (voir ‘Pompes volumétriques’).

Une pompe qui n’est pas assez adaptée à l’application peut entraîner des modifications de structure indésirables dans le produit

Impact minimal sur la pompe

La pompe peut donc influencer le produit négativement. Mais l’inverse est aussi vrai, songez à l’action abrasive des poudres pompées, ou à l’action agressive des liquides acides.

Pour cette raison, le choix du matériaux pour les éléments de pompe) doit coïncider avec l’application. Les directives de l’EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) comportent des informations sur les matériaux de construction d'équipements au contact de produits alimentaires. Ils doivent être mécaniquement stables et inertes par rapport aux produits pompés, détergents et désinfectants. De nombreux métaux entrent en considération. La sélection s’opère en fonction de la charge que subit le métal, de la résistance à la corrosion, de l’usinabilité, de la soudabilité, de la dureté et du coût. Un choix populaire pour des installations nettoyées humides est l’acier inoxydable (p.ex. surfaces en inox électro-poli pour le carter et l’intérieur), l’application déterminant l’alliage spécifique.

Pour les joints et les ‘linings’, différents matériaux existent. L’EPDM résiste aux températures extrêmement basses et s’utilise pour pomper les alcools, les liquides basiques modérément forts dilués et les liquides acides mais ne résiste pas aux huiles et aux grises. Le NBR est parfait pour les produits avec de l’huile, de la graisse ou des alcools mais ne résiste pas aux acides, substances alcalines et solvants. Le PTFE résiste à l’usure, a une large plage de température (-30 à +200 °C) et est inerte par rapport à la plupart des produits chimiques mais les joints toriques dans ce matériau ont un plus grand pourcentage de fuite que d’autres élastomères.

Le FKM est aussi chimiquement inerte et a une plage de température encore plus large (-45 à +204 °C).

Attention avec la conformité EHEDG

Même si chaque élément d’une pompe pour applications alimentaires est conçue en conformité avec les directives EHEDG, il est possible que la pompe ne s’utilise pas avec chaque produit alimentaire

L’intégration de l’équipement de conception hygiénique dans une installation ne signifie pas en soi une garantie d’atteindre le degré de pureté postulé (p.ex. avec des niveaux d’allergènes acceptables).
Même si chaque élément d’une pompe pour applications alimentaires est conçue en conformité avec les directives EHEDG, il est possible que la pompe ne s’utilise pas avec chaque produit alimentaire. Ainsi une pompe peut par exemple être lavée facilement si des liquides propres la traversent tandis que la même pompe paraît plus difficile à nettoyer lors du pompage de liquides avec des morceaux d’aliments solides. En fonction des produits pompés, il peut donc être nécessaire d’augmenter les paramètres de nettoyage; durée de contact, température, chimie et action mécanique.
Les propriétés physiques et comportementales de nombreux aliments sont bien documentées. Dans des cas plus complexes, il est nécessaire de comprendre d’abord entièrement le produit pour pouvoir aboutir à la pompe idéale pour le produit et le processus considérés. C’est possible au moyen de mesures simples in situ, autrement il faut une analyse dans une laboratoire. En tout cas, chaque phase de production qui comprend des pompes alimentaires doit être passée au crible pour identifier les défis spécifiques.

Lavabilité optimale

Les directives EHEDG aident l’industrie à concevoir, construire et installer des appareils hygiéniques, dont aussi des pompes. La construction de pompe doit être de nature à rincer aisément et entièrement les restes de produit après le pompage. C’est pourquoi les pompes alimentaires doivent être exemptes de ‘dead zones’: des zones difficilement ou pas du tout lavables parce que l’eau de nettoyage y accède difficilement ou pas du tout, comme les interstices, petits trous, angles vifs … La saleté et les restes de produit peuvent s’y loger et contaminer un batch suivant (contamination croisée). Dans ces mêmes zones, une solution de nettoyage peut subsister dans le cas d’un mauvais post-rinçage, d’où aussi un risque de contamination du batch suivant.

Les systèmes CIP autorisent le nettoyage automatique de la pompe, sans démontage ou déplacement préalable

Les systèmes CIP autorisent le nettoyage automatique de la pompe, sans démontage ou déplacement préalable. L’intégration du processus de nettoyage dans la pompe ne nécessite pas d’interrompre la production. De plus, une solution CIM soigneusement choisie garantit une utilisation optimale de l’énergie, des produits chimiques et de l’eau ainsi qu’une durée de nettoyage minimale. Outre la garantie de la qualité et de la sécurité du produit, une procédure de nettoyage adéquate accroît la durée de vie de la pompe. Attention: en raison du principe de fonctionnement d’une pompe volumétrique, il est impossible dans bien des cas de traiter le grand débit d’une pompe CIP en amont de la pompe pour nettoyer suffisamment l’appareil en aval de la pompe. Il est alors nécessaire d'installer un système de dérivation pour une pompe CIP.

Les fabricants de pompes se concentrent notamment sur un (dé)montage aisé mais hygiénique des éléments

Entretien aisé

Les fabricants de pompes se concentrent notamment sur un (dé)montage aisé mais hygiénique des éléments, en vue de minimiser l’interruption de production. Ils développent aussi des concepts de pompe modulaires pour plus de flexibilité et d’interchangeabilité des composants, ce qui écourte l’entretien et autorise un plus petit stock de réserve. En général, ils comportent aussi un nombre limité d’éléments d’usure.

Remerciements à : NETZSCH Pumps Bellux, Verder Liquids, Watson-Marlow