Hygiënisch en efficiënt verpompen

Ideale voedingspomp is op maat van het product

Wat maakt dat een pomp hygiënisch ontworpen is en dus geschikt is voor gebruik in de voedingsindustrie?

Pompen voor voedingstoepassingen moeten hygiënisch ontworpen zijn en zich vlot laten reinigen en onderhouden, met het oog op minimale stilstanden. Even belangrijk is dat de pomp is afgestemd op het product. Incompatibiliteit hiertussen kan immers zowel de pomp als het product beschadigen, wat dan weer leidt tot een suboptimale productkwaliteit. Welke zijn de gangbare pomptypes voor de voedingsindustrie en wat zijn daarbij de belangrijkste aandachtspunten?

Centrifugaalpompen

Werkingsprincipe

Centrifugaalpompen omvatten algemeen een pomphuis en een waaier. Het draaien van de waaier geeft de verpompte vloeistof een snelheid volgens de buitenomtrek van de waaier, wat resulteert in een centrifugale (middelpuntvliegende) kracht die de vloeistof naar de buitenomtrek drukt.

Toepassingen

Centrifugaalpompen zijn een populaire keuze voor de productie van dunvloeibare vloeistoffen, en dus met name dranken (wijn, bier, sappen, concentraten …). Ook transporteren ze probleemloos dunvloeibare vloeistoffen met vaste bestanddelen, mits een aangepast waaierontwerp.

Parameters

Er bestaan drie basiswaaiertypes: gesloten, halfopen en open. De geschikte waaier hangt af van het te verpompen medium, de aanwezigheid en aard van vaste bestanddelen, en de gewenste capaciteit en opvoerhoogte. Gesloten waaiers bieden het hoogste rendement, terwijl de open types de nodige ruimte bieden voor het verpompen van dunvloeibare vloeistoffen met vaste bestanddelen. De schoepenbreedte en het toerental bepalen grotendeels de pompcapaciteit en de verstoppingsvrije werking. De waaierdiameter en het toerental bepalen de opvoerhoogte (pompdruk). Als er vloeistoffen met vaste bestanddelen worden verpompt, helpt de toepassing van harde, slijtvaste materialen (bv. PE, chroom) voor de interne componenten om de pomp te beschermen.

Centrifugaalpomp voor voedingstoepassingen. 1: geen kleine dode ruimtes rond O-ringen, 2: koudgewalste rvs‑behuizing, 3: ruime dichtingskamer voor perfecte reiniging, 4: monobloc-uitvoering met standaard IEC-motoren, 5: gestandaardiseerde mechanische asafdichtingen, 6: één dichtingsdiameter

Voor- en nadelen

Centrifugaalpompen hebben algemeen beschouwd enkele voordelen ten opzichte van verdringerpompen – die we verder bespreken. Ten eerste zijn ze vrij compact. Bovendien is de constructie relatief eenvoudig, wat zich vertaalt in een lagere aanschafprijs.

Ze hebben ook minder bewegende delen, wat ze algemeen geschikt maakt voor toepassingen waarbij de pomp langere tijd of zelfs continu in bedrijf is.

De eenvoud van de constructie maakt de centrifugaalpompen ook gemakkelijk te produceren in verschillende mogelijke materialen, waaronder kunststoffen en gietijzer voor lichtere toepassingen, en rvs voor meer corrosieve of hygiënische toepassingen. Die aangepaste materialen zijn wel ook effectief nodig bij het verpompen van bijvoorbeeld abrasieve of corrosieve vloeistoffen, anders kunnen de onderhoudskosten snel oplopen.

Centrifugaalpompen zijn binnen de voedingsindustrie een populaire keuze omwille van de hoge (en stabiele) debieten – de hoogste in hun soort. Dat maakt hen echter meteen ook minder geschikt voor schuifspanningsgevoelige producten (zie ‘Verdringerpompen’).

Bij centrifugaalpompen moet de pompwaaier immers het verpompte product een minimale snelheid en energie meegeven – om systeemverliezen te overwinnen – wat onvermijdelijk leidt tot meer schuifspanning. Bij laagefficiënte modellen is de opvoerhoogte over het algemeen beperkt, zodat de verblijftijd in de pomp langer is en het product bijgevolg langer aan schuifspanningen onderhevig is.

De meeste centrifugaalpompen zijn niet zelfaanzuigend, ze functioneren dus maar eens het pomphuis voldoende vloeistof bevat en de waaier dus in contact staat met voldoende vloeistof.

Ze zijn op zich dan ook niet geschikt voor een onderbroken productaanvoer. De pompen zijn op zich ook niet geschikt voor hoognauwkeurige dosering, want ze produceren bij een variabele druk een variabel debiet – het debiet varieert volgens het werkingspunt van de pomp.

Verdringerpompen

Werkingsprincipe

Verdringerpompen ofwel volumetrische pompen zijn een brede categorie met heel wat subtypes die alle een constant volume aan product verplaatsen vanaf een ruimte met een lage druk naar een ruimte met een hogere druk. Hun debiet is algemeen lager dan bij centrifugaalpompen, maar is onafhankelijk van de opvoerdruk. De maximale opvoerdruk wordt overigens uitsluitend beperkt door de mechanische sterkte van de pomp.

Verdringerpomp excenterwormpomp — Voorbeeld van een verdringerpomp (hier excenterwormpomp). 1: rotor uit gepolijst rvs, 2: statorwand uit dun hittebestendig elastomeer, 3: open hygiënische verbindingen (smering door product) zonder dode zones, 4: aandrijf- en verbindingsas met koppelstang en twee hygiënische verbindingen, 5: food grade asafdichtingen, 6: rvs-beschermbuis voor stator, 7: aandrijving direct geflensd aan pompschacht voor compactheid en beperkte onderhoudsnood

toepassingen

Deze pompcategorie is geschikt voor het verpompen van viskeuze vloeistoffen (met of zonder vaste bestanddelen) zoals glazuur, deeg, fruitvullingen en puree, babyvoeding, tomatenpasta en sauzen, room, warme kaas … maar ook viskeuze producten waarbij schuifspanningen de essentiële kwaliteit aantasten.

Schuifspanning is de relatieve beweging tussen twee aangrenzende vloeistoflagen binnen de bewegende vloeistof en vindt voornamelijk plaats aan de buitenkant binnen de pomp, en ter hoogte van de bewegende componenten. Bepaalde viskeuze producten worden vloeibaarder bij een toenemende schuifspanning bij hogere stroomsnelheden.

Dat kan in bepaalde toepassingen gewenst zijn, om het product makkelijker te verpompen. Bij andere producten kan het echter leiden tot de aantasting van een essentieel kwaliteitskenmerk. Sommige – in bepaalde gevallen hoogwaardige – producten zijn daar erg gevoelig voor. Voorbeelden zijn yoghurt, mayonaise, ketchup …

Parameters

Hygiënisch ontworpen verdringerpomp — Deze hygiënisch ontworpen verdringerpomp wordt onder meer toegepast in een industriële bakkerij. Een ruimte tussen het natte uiteinde (pompkop) en het vermogenseinde (lagerhuis) van de pomp zorgt ervoor dat de vloeistof bij een defecte afdichting wegstroomt en elimineert het risico op besmetting

Roterende verdringerpompen met grotere pompkamers zoals excenterwormpompen, lobbenpompen en ook peristaltische pompen (slangenpompen) zorgen typisch voor een vlottere doorstroming en veroorzaken lagere schuifspanningen.
Dankzij hun interne speling zijn excenterwormpompen, peristaltische pompen en lobbenpompen met aangepaste, van rubber voorziene rotoren uitstekend geschikt voor het verpompen van vloeistoffen met een hoog gehalte aan vaste bestanddelen.
Dankzij hun constante debiet (in verhouding tot het toerental), vloeiende stroming en lage pulsering – ondanks eventuele drukveranderingen – zijn peristaltische pompen en membraanpompen (diafragmapompen) geschikt voor nauwkeurig doseren. Alle verdringerpompen kunnen overigens in beide richtingen pompen.

Voor toepassingen met hogere temperaturen hebben lobbenpompen aangepaste rotoren die net iets kleiner zijn dan de behuizing om thermische uitzetting op te vangen.

Voor- en nadelen

Verdringerpompen zijn geschikt voor hoge drukken – en hebben een heel grote zuigcapaciteit, zelfs als het product gas bevat. Elke verdringerpomp is geschikt als doseerpomp. Het debiet is uiterst precies en reproduceerbaar af te stellen. Bij de oscillerende varianten (zuigerpompen, membraanpompen) zijn zowel pneumatische, hydraulische als elektromagnetische aandrijvingen mogelijk. Bovendien zijn ze ook geschikt voor lage aandrijfsnelheden.
Aan de kant van de nadelen dient vermeld dat verdringerpompen over het algemeen meer slijtende componenten bevatten dan centrifugaalpompen. Door het werkingsprincipe is er geen drukbeperking, dus vereisen verdringerpompen veiligheidskleppen of drukventielen. In complexere ontwerpen kan dat leiden tot foutgevoelige constructies met kleppen. Bij oscillerende verdringerpompen is trillingsvrij werken enkel mogelijk mits complexe massabalancering. Deze pompen zijn ook minder geschikt voor hoge snelheden. Aangezien oscillerende verdringerpompen pulseren, vereisen ze een pulsatiedemper.

Brede waaier aan pompvariaties

Lobbenpomp — Bij deze lobbenpomp zitten de rotorbevestiging en de aandrijving buiten de pompkamer en hebben de rotoren een volledig vlakke voor- en achterkant zonder dode zones zodat daar geen product kan gaan vastzitten

Er bestaan van de besproken pomptypes nog verschillende varianten, die ook nog eens op maat van een specifieke toepassing kunnen worden ontworpen. De mogelijkheden zijn legio, maar met het oog op de algemene voedselveiligheid en -kwaliteit en een maximale productiviteit moet elk ontwerp voldoen aan alle voorwaarden voor een goed hygiënisch ontwerp. Zo zijn er bijvoorbeeld modellen die de voordelen van een centrifugaalpomp combineren met die van een lobbenpomp, zodat niet enkel dikvloeibare stoffen en pasta’s te verpompen zijn, maar ook dunvloeibare, zodat de pomp te reinigen is door middel van CIP (Cleaning-in-place).

Aandachtspunten bij pompkeuze

Minimale impact op product

Een pomp die onvoldoende of niet is afgestemd op de toepassing, kan ongewenste structuurwijzigingen veroorzaken in het product. Zo kunnen pompcomponenten het product bijvoorbeeld fysiek beschadigen – denk aan het pletten van olijven of volledige vruchten ter hoogte van de pompwaaier. Ook kan de pomp tot schuifspanningen leiden in het product (zie bij ‘Verdringerpompen’).

Een pomp die onvoldoende is afgestemd op de toepassing, kan ongewenste structuurwijzigingen veroorzaken in het product

Minimale impact op pomp

De pomp kan het product dus negatief beïnvloeden. Het omgekeerde kan echter ook, denk daarbij aan de abrasieve werking van verpompte poeders, of de agressieve inwerking van zure vloeistoffen. De materiaalkeuze voor de pomp(onderdelen) moet om die reden afgestemd zijn op de toepassing. De richtlijnen van EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) omvatten informatie over materialen die veilig zijn voor gebruik in voedingsomgevingen. Ze moeten mechanisch stabiel en inert zijn ten aanzien van de verpompte producten, detergentia en desinfectantia. Heel wat metalen komen in aanmerking. De selectie gebeurt in functie van de belasting waaraan het metaal onderworpen is, de corrosiebestendigheid, bewerkbaarheid, lasbaarheid, hardheid en kost. Een populaire keuze voor nat gereinigde installaties is roestvast staal (bv. elektrogepolijste rvs-oppervlakken voor behuizing en binnenkant), waarbij de toepassing de specifieke legering bepaalt. Voor afdichtingen en ‘linings’ bestaan verschillende materialen. EPDM is bestand tegen extreem lage temperaturen en inzetbaar voor het verpompen van alcoholen, matig sterke of verdunde basische en zure vloeistoffen, maar is niet bestand tegen oliën en vetten. NBR is prima geschikt voor producten met olie, vet of alcoholen maar niet bestand tegen zure en alkalische stoffen. PTFE is bestand tegen slijtage, heeft een breed temperatuurbereik (-30 tot +200 °C) en is inert ten aanzien van de meeste chemicaliën maar O-ringen in dit materiaal hebben een hoger lekpercentage dan andere elastomeren. FKM is eveneens chemisch inert en heeft een nog iets bredere temperatuurbereik (-45 tot +204 °C).

Opgelet met EHEDG-conformiteit

Pomp voor voedingstoepassingen — Ook al is elk onderdeel van een pomp voor voedingstoepassingen ontworpen conform de EHEDG-richtlijnen rond reinigbaarheid, toch is de pomp mogelijk niet geschikt voor gebruik met élk voedingsproduct

Het integreren van hygiënisch ontworpen uitrusting in een installatie betekent op zich geen garantie voor het bereiken van de vooropgestelde zuiverheidsgraad (bv. met aanvaardbare allergenen-niveaus).
Ook al is elk onderdeel van een pomp voor voedingstoepassingen ontworpen conform de EHEDG-richtlijnen rond reinigbaarheid, toch is de pomp mogelijk niet geschikt voor gebruik met élk voedingsproduct. Zo kan een pomp bijvoorbeeld vlot reinigbaar zijn als er zuivere vloeistoffen door lopen, terwijl diezelfde pomp bij verpompen van vloeistoffen met stukjes vast voedsel moeilijker te reinigen blijkt. Afhankelijk van de verpompte producten is dus mogelijks een verhoging van de reinigingsparameters nodig: contacttijd, temperatuur, chemie en mechanische inwerking.
Van veel voedingsmiddelen zijn de fysieke en gedragseigenschappen goed gedocumenteerd. In complexere gevallen is het noodzakelijk om het product eerst volledig te begrijpen om te kunnen komen tot de ideale pomp voor het beschouwde product en proces. Mogelijk kan dat door middel van eenvoudige metingen in situ, of anders door analyse in een laboratorium.
In ieder geval moet elke productiefase waarin voedingspompen zijn toegepast onder de loep worden genomen om de specifieke uitdagingen vast te stellen.

Optimale reinigbaarheid

De EHEDG-richtlijnen helpen de industrie bij het ontwerpen, bouwen en installeren van hygiënische apparatuur, waaronder dus ook pompen. De pompconstructie dient van die aard te zijn dat achtergebleven productresten na het verpompen van een batch vlot en volledig weg te spoelen zijn. Voedingspompen moeten daarom vrij zijn van zogeheten ‘dead zones’: plaatsen die zich moeilijk of niet laten reinigen omdat het reinigingswater er niet of moeilijk bij kan, zoals spleten, gaatjes, scherpe hoeken … Vuil en productresten kunnen daar immers achterblijven en een volgende batch contamineren (kruisbesmetting). In diezelfde zones kan er bij een slechte naspoeling reinigingsoplossing achterblijven, waardoor ook hier het risico op contaminatie van de volgende batch bestaat.

CIP-systemen maken automatisch reinigen van de pomp mogelijk, zonder voorafgaande demontage of verplaatsing

CIP-systemen maken automatisch reinigen van de pomp mogelijk, zonder voorafgaande demontage of verplaatsing. Door de pomp in het reinigingsproces te integreren hoeft de productie niet onnodig te worden onderbroken. Bovendien garandeert een doordacht gekozen CIP‑oplossing een optimaal gebruik van energie, chemicaliën en water, alsook een minimale reinigingsduur. Naast het garanderen van productkwaliteit en -veiligheid verhoogt een adequate reinigingsprocedure de levensduur van de pomp. Let wel: het werkingsprincipe van een verdringerpomp maakt het in vele gevallen onmogelijk om het groot debiet van een CIP-pomp stroomopwaarts van de pomp te verwerken. Aangezien het apparaat stroomafwaarts van de verdringerpomp dan niet afdoende kan worden gereinigd, is het nodig om een bypass-systeem voor een CIP-pomp te installeren.

Pompfabrikanten focussen op hygiënisch sluitende (de)montage — Pompfabrikanten focussen onder meer op een vlotte maar hygiënisch sluitende (de)montage van de onderdelen

Vlot onderhoud

Pompfabrikanten focussen onder meer op een vlotte maar hygiënisch sluitende (de)montage van de onderdelen, met het oog op een minimale productie-onderbreking. Ze ontwikkelen ook modulaire pompontwerpen voor meer flexibiliteit en uitwisselbaarheid van componenten, wat de onderhoudstijd inkort en een kleinere reservevoorraad aan onderdelen mogelijk maakt. Ze bevatten over het algemeen ook een beperkt aantal slijtende onderdelen.

Met medewerking van: NETZSCH Pumps Bellux, Verder Liquids, Watson-Marlow