Michele Madureri

Seminario tecnico
Hygienic
yg
Design
g delle apparecchiature
pp
alimentari
11 Giugno 2010, Centro Santa Elisabetta c/o Campus Universitario di Parma
Progettazione igienica di un
omogeneizzatore:
i
t
principi
i i i ed
d esempii
Dr.-Ing. Michele Madureri
p
GEA Niro Soavi S.p.A.
Sommario
• La GEA Niro Soavi S.p.A.
• L’omogeneizzatore
• Principi di progettazione
i i i di un
igienica
omogeneizzatore
• Esempi di progettazione
igienica di un
omogeneizzatore
2
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
La GEA Niro Soavi S.p.A.
SpA
3
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
GEA Niro Soavi – Chi siamo
6000 macchine operanti in tutto il mondo e oltre
600 unità
ità prodotte
d tt all’anno
ll’
, GEA Niro Soavi S.p.A. è leader
Con oltre
tecnologico e di mercato per omogeneizzatori e pompe ad alta pressione,
con una rete di vendita globale che permette all’azienda di essere
sempre vicino al cliente.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
GEA Niro Soavi - Sessanta anni di storia …
1947 – Fondazione della
società
i tà da
d parte
t
della famiglia
SOAVI
1990 – Acquisizione da
parte del gruppo Niro
(Danimarca)
1993 – Entra a fare parte
del gruppo GEA
(Germania)
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
GEA Niro Soavi - Il network mondiale
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
GEA Niro Soavi - Settori di competenza
DAIRY, ALIMENTARE, BEVANDE e SUCCHI DI FRUTTA
Basse pressioni / Alte portate
FARMACEUTICO, BIOTECNOLOGIE, COSMETICO e CHIMICO
Alte pressioni / Medio-basse
Medio basse portate
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Suddivisione del mercato per settori merceologici
21%
6% 3%
11%
6%
6%
55%
19%
73%
Dairy
8
Food
Chem.
Cosmetic
Pharma
Biotech
R&D
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
L omogeneizzatore
L’omogeneizzatore
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
L’omogeneizzatore
L’omogeneizzatore è una
pompa volumetrica a pistoni
equipaggiata con una
speciale valvola di
contropressione denominata
valvola omogeneizzante,
utilizzata per ottenere un
effetto di omogeneizzazione
e micronizzazione sul
prodotto trattatto.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
L’omogeneizzatore
Pompa ad alta pressione + Valvola Omogeneizzante
= Omogeneizzatore
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
I nostri prodotti: tipologie e caratteristiche
12
ƒ
Omogeneizzatori da laboratorio, per
i i ti pilota
impianti
il t e iindustriali
d t i li con portate
t t
da 10 l/h a 50.000 l/h.
ƒ
Copertura completa del range di
pressione da 100 bar a 1500 bar,
anche su scala industriale.
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Descrizione tecnica – Sistema di trasmissione
Il sistema di trasmissione ha il fine di
f i il moto
fornire
t alternativo
lt
ti aii pistoni
i t i
della pompa.
Il sitema di trasmissione è interamente
contenuto in una carenatura in acciaio
inossidabile ed include:
•motore elettrico principale,
•sistema di trasmissione a cinghie,
•riduttore di velocità,
•corpo di trasmissione
(moto rotativo >>> moto alternativo)
•sistema di lubrificazione e circuiti
a siliari
ausiliari.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Descrizione tecnica – Testata di compressione
La testata di compressione è la zona della macchina dove il prodotto
viene pompato ad alta pressione (zona di processo)
processo).
La testata di compressione è una parte estremamente critica su tutti
gli omogeneizzatori
g
g
in q
quanto soggetta
gg
a carichi a fatica in seguito
g
all’azione pompante dei pistoni.
Esempio di carico pulsante
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Descrizione tecnica – Testata di compressione
Testata monoblocco per
pressioni fino a 600 bar
Testata VHP per pressioni
da 600 bar a 1500 bar
Soluzioni per alta pressione brevettate:
brevetti nr. IT 01308543, nr. WO 2005/097308 A1, nr. EP 1740293 B1.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Il concetto di omogeneizzazione
La valvola omogeneizzante è il cuore del processo.
Attraverso questa valvola regolabile,
regolabile in grado di creare
un’elevatissima pressione, il prodotto viene trattato in
seguito alla combinazione di diversi effetti fluidodinamici
ad
d elevata
l
t densità
d
ità energetica:
ti
‰ Turbolenza
‰ Cavitazione localizzata
‰ Effetti di “Shear”
‰ Impatti ad alta velocità
Per mezzo degli
P
d li effetti
ff tti fluidodinamici
fl id di
i i generati
ti dall’alta
d ll’ lt pressione
i
applicata
li t
al fluido è possibile ottenere una distribuzione più “omogenea” di particelle
micronizzate.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
La valvola omogeneizzante
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Descrizione tecnica – Valvola omogeneizzante
Al fine di creare la pressione, è necessario applicare una forza “F” in
modo da ridurre l’area di p
passaggio
gg del liquido
q
attraverso la valvola
omogeneizzante.
Force “F”
La valvola non è mai
completamente chiusa,
ma si ha sempre un
determinato GAP che
consente il flusso:
Product OUT
nelle stesse condizioni
di portata, più elevata
è la pressione e
minore è il GAP.
Valve
GAP
Product IN
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di
progettazione
igienica di un
o oge e
omogeneizzatore
a o e
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Normative di riferimento
• Direttiva macchine:
2006/42/CE
• Linea guida EHEDG:
Doc.17 Hygienic
yg
design
g of p
pumps,
p homogenisers
g
and dampening
p
g
devices, 2nd ed., September 2004
• St
Standard
d d3
3-A:
A
3-A Sanitary Standards for Homogenizers and Reciprocating
Pumps,
p Number 04-04
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Richieste dal mercato (1)
Differenti richieste in base all’applicazione:
a) industria alimentare
b) industria farmaceutica
c)) altre ((industria chimica, ecc.))
A seconda dell’applicazione è normalmente richiesta una
differente esecuzione della macchina e un diverso livello di
certificazione/validazione
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Richieste dal mercato (2)
Richieste design igienico in aumento in seguito alle tendenze
attuali del mercato alimentare.
Ip
prodotti devono essere p
percepiti
p come p
più “naturali”:
a) minore utilizzo di additivi/conservanti
b) trattamenti termici ridotti
Di conseguenza:
a) minore protezione dei prodotti dalle contaminazioni
b)) maggiori
gg
necessità di p
pulibilità impianti/macchine
p
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Richieste dal mercato (3)
Richieste speciali (esempi):
a) applicazioni chimiche multi-prodotto:
design igienico richiesto per evitare
contaminazioni reciproche dei diversi
prodotti in caso di mancata pulibilità
impianto.
b) applicazioni con prodotti “difficili” da
trattare:
es. lattice, design igienico richiesto per
evitare la formazione di coaguli solidi.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Altri fattori da considerare nella progettazione
igienica
Necessità di integrare:
a) normative di riferimento igieniche
b) richieste igieniche specifiche dalle diverse applicazioni
((ind. alimentare, farmaceutica, chimica, ecc.))
con:
c) esigenze operative (altissime pressioni / carichi a fatica)
d) aspetti di sicurezza della macchina
e) vita elevata dei componenti (affidabilità
(affidabilità, stato dell’arte)
dell arte)
f) costi “ragionevoli” per macchine e ricambi
(contenimento costi)
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Problemi legati al design igienico (1)
• Problema comune a tutti i costruttori di macchine/impianti, assenza
linea guida unica per design igienico:
differente approccio 3-A
3 A / EHEDG /
applicazioni farmaceutiche
• Difficoltà standardizzazione su soluzioni uniche:
a) la standardizzazione verso l’alto presenta problemi di costo
su diversi mercati
b) la standardizzazione a livelli più bassi non è comunque
accettabile da tutti i mercati
c) la standardizzazione è spesso limitata dalla variabilità dei
prodotti (differenti necessità di pulibilità in relazione alle
applicazioni e alle caratteristiche fisiche dei prodotti trattati)
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Problemi legati al design igienico (2)
• Difficoltà nel reperire componenti con certificazioni adeguate:
a) costi di certificazione non sempre sostenibili da parte dei
sub fornitori
sub-fornitori
b) “scarsa reattività” dei sub-fornitori nel recepire gli
aggiornamenti normativi
c) difficoltà nell’ottenere nuove certificazioni per prodotti
speciali
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Approccio GNS al design igienico (1)
• Standardizzazione:
a) standardizzazione su soluzioni uniche quando possibile
(soluzioni a più elevata pulibilità a costi accettabili
accettabili, ulteriore
riduzione costi in seguito a standardizzazione)
b) differenziazione soluzioni quando non è possibile unificare
(soluzioni opzionali a differenti livelli di costo)
• Implementazione feedback da clienti
su macchine installate:
a)) design
g igienico
g
b) procedure di validazione
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Approccio GNS al design igienico (2)
• Partecipazione attiva alla stesura di norme di riferimento:
EHEDG, 3-A
• Sistema qualità:
a)) controlli q
qualità su componenti
p
di produzione/acquisto
b) procedure dedicate all’implementazione del design igienico
(
(procedure
d
ttracciabilità
i bilità materie
t i prime,
i
procedure
d
controlli
t lli
rugosità superficiale, ecc.)
• Collaborazioni con altri enti / società
(Università di Parma, ecc.)
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Principi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Approccio GNS al design igienico (3)
• Implementazione area farmaceutica:
a) Project Manager dedicato alla progettazione e alla validazione di
macchine per applicazioni farmaceutiche
b) realizzazione di un “pacchetto” completo per validazioni cGMP
che include:
• documentazione completa di tracciabilità e misure rugosità
superficiale per tutti i materiali a contatto con il prodotto
• controlli e processi speciali dedicati alla realizzazione di
macchine farmaceutiche
• documentazione “proprietaria”
per FAT/SAT/IQ/OQ
• supporto a clienti e installatori
per FAT/SAT/IQ/OQ
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di
progettazione
igienica di un
o oge e
omogeneizzatore
a o e
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti guarnizioni (o-ring) per macchine ad
alta pressione (1):
• Design passato (cava chiusa)
ALLOGGIAMENTO
O-RING
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti guarnizioni (o-ring) per macchine ad
alta pressione (2):
• Design indicato in linea guida EHEDG (Doc.17):
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti guarnizioni (o-ring) per macchine ad
alta pressione (3):
• Design attuale:
ALLOGGIAMENTO
O-RING
Soluzioni p
per alta p
pressione brevettate:
brevetti nr. IT 01308543, nr. WO 2005/097308 A1, nr. EP 1740293 B1.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti guarnizioni (o-ring) per macchine ad
alta pressione (4):
• Recepimento linee guida design igienico
• Necessità legate all’appl
all appl. ad alta pressione con carichi pulsanti
• Soluzione di compromesso
p
tra linee g
guida e necessità
di resistenza meccanica
• Vita media delle guarnizioni elevata / costo contenuto
• Design approvato considerando i feedback positivi di pulibilità
ricevuti dalle installazioni
• Soluzione standardizzata su tutte le macchine ad alta pressione
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti strumentazione bassa e alta press. (1):
• Design standard:
Zona bassa pressione
Zona alta pressione
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti strumentazione bassa e alta press. (2):
• Indicazioni in linea guida EHEDG (Doc.17):
7.1 Dead Areas
Due considerations shall be taken in the design of the equipment to avoid dead areas
wherever possible.
• Indicazioni in standard 3-A (Doc. 04-04):
D4.1.1
D4
1 1 Ports for instrumentation and pressure relief devices on high pressure pumps
and homogenizers designed to operate at over 250 psig (1724 kPa) may have dead
end passages of 10 port diameters or less but not to exceed 5 in. (127 mm) when
assembled p
provided the p
passages
g are readily
y accessible for manual cleaning
g and
inspection when disassembled.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti strumentazione bassa e alta press. (3):
• Design ad elevata pulibilità (opzionale):
Zona bassa pressione (GEA Tuchenhagen VARINLINE® access unit)
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Alloggiamenti strumentazione bassa e alta press. (4):
• Design ad elevata pulibilità (opzionale):
Z
Zona
alta
lt pressione
i
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Collettore di apirazione (1):
• Design standard:
OUT
IN
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Collettore di apirazione (2):
• Necessità operativa:
bassa velocità nel collettore
di aspirazione per consentire
una corretta alimentazione
della macchina
• Indicazione dal mercato:
a) buona pulibilità con
quasi tutti i prodotti trattati
b) alcuni problemi riscontrati
su installazioni particolari
(es. prodotti che
tendono a sedimentare))
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Collettore di apirazione (3):
• Design opzionale ad elevata pulibilità
(collettore passante, soluzione funzionale per prevenire accumuli di
prodotto):
PORTATA IN
OMOG.
100%
PORTATA IN
RICIRCOLO
30%
PORTATA IN
INGRESSO
130%
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Testata OpenXFLO™ (1):
• Richiesta specifica da industria chimica:
problemi notevoli di coagulazione del lattice all’interno della
macchina (formazione di “tappi”
tappi solidi)
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Testata OpenXFLO™ (2):
• Soluzione std vs. soluzione OpenXFLO™
Soluzione std
Soluzione OpenXFLO™
Testata di compressione OpenXFLO™, brevetto nr. WO 2007/148237 A1.
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Esempi di prog. igienica di un omogeneizzatore
Testata OpenXFLO™ (3):
Problema specifico da industria chimica
Soluzione per lattice (opzione testata OpenXFLO™)
Applicazione della stessa soluzione ad altre applicazioni
(waste water, grassi, ecc.)
Possibilità di estensione futura all’alimentare con accorgimenti
aggiuntivi minimi
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GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Conclusione
Richieste design
igienico dal
mercato
Necessità
operative
macchina
Normative
design igienico
Costi e
affidabilità
macchina
Sicurezza
macchina
Design
igienico
Disegno dei
componenti
Procedure
sistema qualità
45
Scelta dei
materiali
Documentazione
dedicata
Soluzioni
funzionali
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.
Many Thanks for Your Attention!
GEA Mechanical Equipment / GEA Niro Soavi S.p.A.