Branża spożywcza i farmaceutyczna należą do najbardziej wymagających pod tymi względami. W produkcji żywności urządzenia, ze względu na specyfikę materiałów i procesów produkcyjnych, nie tylko funkcjonują bowiem w środowisku mokrym i w zmiennych temperaturach, ale liczyć się też trzeba z tym, że mogą się na nich rozwijać i gromadzić drobnoustroje chorobotwórcze – ponieważ występuje kontakt z surowcami organicznymi, czyli materiałami pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.
Ze względu na ryzyko dla życia i zdrowia konsumentów przenikanie drobnoustrojów do produktów końcowych jest niedopuszczalne. W związku z tym nie tylko same procesy produkcyjne, obejmujące obróbkę na mokro i termiczną, są źródłem uciążliwych czynników, ale również procesy czyszczenia oraz dezynfekcji, w których używa się silnych środków chemicznych o różnych odczynach, pary wodnej i strumieni płynów pod wysokim ciśnieniem. Dlatego wyposażenie linii produkcyjnych żywności powinno być odporne na takie często powtarzające się warunki. Dotyczy to wytrzymałości zarówno mechanicznej sprzętu, by takie oddziaływanie nie miało negatywnego wpływu na jego integralność strukturalną ani funkcjonalność, jak i chemicznej, by nie ulegał on korozji, która skraca żywotność, a jej produkty (rdza) stają się źródłem dodatkowych zanieczyszczeń.
Zautomatyzowane mycie
Utrzymanie czystości linii produkcyjnych wymaga regularnego mycia i odkażania. Te zadania dla większej skuteczności i wydajności automatyzuje się w ramach instalacji CIP/SIP (Cleaning in Place, Sterilisation in Place), które spłukują wnętrza rur, pomp, zbiorników, jak mieszalniki, i innych komponentów w przerwach między kolejnymi uruchomieniami produkcji – bez konieczności ich demontażu i wprowadzania do ich wnętrza urządzeń czyszczących lub wchodzenia do nich. Zamiast tego mycie CIP/SIP realizuje się przez wymuszanie przepływu środków myjących i odkażających, a potem ich powrót do głównego zasobnika.
Przykładową sekwencję CIP rozpoczyna wstępne płukanie wodą. Następnie przez obiekt przepływa roztwór zasadowy, który rozkłada białka i tłuszcze. Jeżeli jest to wymagane, kolejnym etapem staje się przepłukanie roztworem kwasowym, który neutralizuje resztki roztworu zasadowego, zapobiega tworzeniu się osadów, przyspiesza wysychanie i hamuje rozwój bakterii. Wcześniej konieczne może być dodatkowe spłukanie zbiornika zimną/gorącą wodą. Z reguły bezpośrednio przed uruchomieniem produkcji przeprowadza się jeszcze dezynfekcję.
Mycie i sterylizacja na miejscu mają wiele zalet. Skracają przestoje o czas potrzebny do demontażu wyposażenia na części, a potem jego złożenia, a personel nie ma kontaktu z substancjami niebezpiecznymi. Dokładniej i w sposób powtarzalny można wyczyścić oraz dezynfekować miejsca trudno dostępne. Zaletą metod CIP/SIP jest też lepsza kontrola zużycia wody i środków myjących/odkażających. Można je też poddać recyklingowi. Zmniejsza to koszty.
PRODUKCJA FARMACEUTYCZNA
W branży farmaceutycznej wymagania stawiane komponentom automatyki są równie restrykcyjne, a w wielu przypadkach nawet jeszcze bardziej rygorystyczne niż w produkcji żywności. Ze względu na specyfikę wytwarzanych produktów, w tym substancji czynnych, leków, preparatów jałowych, jak płyny infuzyjne i krople do oczu, oraz wyrobów medycznych, jak strzykawki i cewniki, kluczowe znaczenie mają: zapewnienie sterylności procesów oraz ścisła kontrola jakości surowców i produktów pod kątem występowania zanieczyszczeń biologicznych i cząsteczkowych. Nawet bowiem śladowa obecność mikroorganizmów albo drobin pochodzących z urządzeń może prowadzić do pogorszenia jakości produktu. To z kolei stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia pacjentów.
Konsekwencją tego w praktyce jest to, że w zakładach farmaceutycznych urządzenia automatyki często muszą spełniać wymagania stawiane wyposażeniu pomieszczeń czystych (cleanroomów), czyli wydzielonych stref, w których takie parametry środowiskowe, jak temperatura, wilgotność, liczba cząstek zanieczyszczeń o określonej wielkości, unoszących się w powietrzu oraz różnice ciśnień w stosunku do pomieszczeń sąsiednich, są ściśle określone, monitorowane oraz regulowane. Dlatego urządzenia te powinny być zaprojektowane i wykonane w sposób minimalizujący uwalnianie cząstek do otoczenia, jak również ich na nich osadzanie się i tak, aby możliwe było ich skuteczne czyszczenie i dekontaminacja. Tak jak w produkcji spożywczej muszą być zatem odporne na często powtarzające się operacje mycia, dezynfekcji i sterylizacji.
Higieniczne konstrukcje
Aby sprzęt produkcyjny w zakładach produkcji spożywczej i farmaceutycznej nie stał się źródłem zanieczyszczeń i zarazków, trzeba go właściwie zaprojektować i wykonać. Przede wszystkim musi istnieć możliwość jego skutecznego czyszczenia. Powinien być więc skonstruowany w taki sposób, żeby łatwo dawał się rozmontować, jeżeli wymaga tego jego umycie. Nie powinien wchłaniać bakterii ani umożliwiać im przeżycia czy namnażania się ich na nim oraz na produkcie.
W tym celu powierzchnie wygładza się i unika w nich wszelkich zagłębień, w których bakterie mogłyby się rozwijać i/albo przetrwać proces czyszczenia. Im więcej wypukłych i pochylonych powierzchni, które ułatwią spływanie płynów i zaokrąglonych rogów, tym dla higieny produkcji lepiej. Ponadto zamiast pustych w środku preferuje się wypełnione elementy konstrukcyjne. Lepiej, gdy tabliczki, wsporniki i zaślepki są do podłoża przymocowane trwale, a nie tylko przykręcone śrubami. Zamiast łączenia elementów lepsze są konstrukcje jednolite (bezspawowe). Przykład stanowią korpusy zaworów higienicznych wykonywane z jednego odlewu.
Materiały konstrukcyjne muszą być nietoksyczne dla produktu i odporne na chemikalia używane do ich mycia oraz sposób, w jaki będzie ono wykonywane. Powinny być łatwo zmywalne, odporne na korozję oraz wytrzymałe mechanicznie. Odporna na korodowanie jest stal nierdzewna. Z niej na potrzeby np. zakładów spożywczych wykonuje się m.in. stoły robocze, ostrza noży, części specjalistycznych maszyn, które mają styczność z żywnością. Ponadto niezalecane są elementy malowane, gdyż powłoki farby mogą z czasem pękać i się kruszyć – np. podczas ich szorowania. W przenośnikach nie należy z kolei korzystać z taśm wykonanych z materiałów, gdyż tkaniny łatwo wchłaniają wilgoć.
Kluczową funkcję w urządzeniach i podzespołach do zastosowań higienicznych pełnią uszczelki. Przykładowo, od tych do użytku w branży spożywczej oczekuje się nie tylko odporności na skrajne temperatury, chemiczne środki czyszczące, parę wodną i dopuszczenia do użytku w kontakcie z żywnością, ale także tego, by nie nasiąkały smakami i zapachami ani ich nie przenosiły oraz były odporne na działanie różnych substancji, jak tłuszcze i oleje.
Podsumowując, w obu branżach wybierane są komponenty automatyki, które spełniają wymagania pod kątem funkcjonalnym, jak również materiałowym i konstrukcyjnym. Muszą także gwarantować zgodność z wytycznymi norm, które obowiązują w produkcji żywności i farmaceutycznej. Dbałość o higienę nie zależy bowiem tylko od dobrej woli producenta, ale jest mu narzucana odgórnie.
Przykładowo, w produkcji żywności obowiązkowe jest wdrażanie systemu HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point), czyli analizy zagrożeń i krytycznych punktów kontroli. Jego głównym założeniem jest detekcja i usuwanie zagrożeń w miejscu oraz czasie ich powstania. W tym celu należy przeanalizować proces produkcyjny, określając dla każdego jego etapu prawdopodobne zagrożenia różnego rodzaju (chemiczne, biologiczne). Na tej podstawie można wskazać newralgiczne miejsca, urządzenia, surowce oraz zadania produkcyjne, wymagające większej uwagi i ściślejszej kontroli.
Maciej Krystecki
ASTAT
Jakie rozwiązania automatyki oferują Państwo specjalnie dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego?
Zapotrzebowanie na specjalistyczne rozwiązania automatyki rośnie praktycznie we wszystkich segmentach obu branż. Poziom automatyzacji jest już bardzo zaawansowany, a trend rynkowy jednoznacznie wskazuje na dalszą, coraz szerszą automatyzację procesów. Proponujemy więc szeroką gamę rozwiązań, zaprojektowanych z myślą o pracy w wymagających i higienicznie krytycznych środowiskach wytwórczych. Dedykowany asortyment obejmuje m.in.: szafy, obudowy i kasety sterownicze, peszle ochronne na przewody, trasy kablowe (korytka siatkowe), klimatyzatory do szaf sterowniczych oraz przepusty i dławnice kablowe. Nasze produkty mają certyfikaty dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego, w tym FDA (U.S. Food and Drug Administration), i są projektowane zgodnie z zasadami hygienic design. Wyróżniają się bardzo wysokim stopniem szczelności – od IP65, IP66, IP68 aż po IP69K, coraz częściej wymaganym w zakładach spożywczych. Klasy te określają poziom ochrony przed wnikaniem pyłu i wody, w tym również przed strumieniem wody o niskim i wysokim ciśnieniu. Dzięki temu są szczególnie odpowiednie do zastosowań w środowiskach mokrych oraz tam, gdzie występuje intensywne mycie. Sprawdzają się m.in. w produkcji mięsnej i w obszarach, gdzie podczas mycia wykorzystywana jest woda, piana i chemia – linie produkcyjne są pianowane i czyszczone myjkami wysokociśnieniowymi, dlatego wymagane są wysoka odporność oraz szczelność.
Z czego wykonane są Państwa komponenty automatyki?
W zakresie obudów i szaf sterowniczych oraz kaset pod przyciski polecamy te wykonane ze stali nierdzewnej AISI 304 oraz AISI 316, zapewniające wysoką odporność na korozję, działanie środków chemicznych oraz intensywne procesy mycia. Elementy takie jak przepusty kablowe produkowane są z polipropylenu (PP) oraz elastomerów, co gwarantuje odpowiednią szczelność i trwałość w wymagających warunkach pracy. Z kolei węże stosowane w przemyśle spożywczym wykonuje się z PVC, spełniającego wymagania higieniczne. Dobór tych materiałów zapewnia odporność na wilgoć, środki czyszczące i zmienne temperatury, a jednocześnie umożliwia zachowanie wysokich standardów higieny niezbędnych w branży spożywczej i farmaceutycznej.
Jakie wdrożenia mogą Państwo przedstawić jako przykłady udanych realizacji?
Spośród zakładów produkcyjnych przemysłu spożywczego była to np. modernizacja stanowisk operatorskich poprzez wymianę kaset sterowniczych z poliwęglanu, nieprzystosowanych do intensywnych procesów mycia. Kasety regularnie poddawano działaniu silnych środków chemicznych podczas mycia linii – następującego nawet trzy razy dziennie, po każdej zmianie. W efekcie dochodziło do ich degradacji oraz problemów z nieszczelnością i zalewaniem. Zastosowaliśmy więc kasety sterownicze ze stali nierdzewnej AISI 304, o stopniu ochrony IP66 oraz IP69K, przeznaczone do pracy w środowiskach poddawanych intensywnemu myciu wysokociśnieniowemu, w obudowach mających certyfikat FDA dla przemysłu spożywczego. Wdrożenie to całkowicie wyeliminowało problem zalewania obudów oraz znacząco zwiększyło trwałość i niezawodność stanowisk sterowniczych.
Jakie rozwiązania stosują Państwo, aby urządzenia były łatwe do czyszczenia i spełniały wymogi konstrukcji higienicznych?
Sięgamy po rozwiązania zgodne z wymaganiami „hygienic design”, minimalizujące ryzyko gromadzenia zanieczyszczeń. W obudowach sterowniczych oferujemy wykonanie daszka o kącie nachylenia od 7 do 45°, co zapobiega zaleganiu brudu na górnej powierzchni i ułatwia skuteczne usuwanie drobnoustrojów podczas mycia. W zależności od typu obudowy stosujemy również zamki higieniczne, proste w utrzymaniu czystości. Dodatkowo, na przykładzie przepustów kablowych ICOTEK, oferujemy rozwiązania dla przemysłu spożywczego – z zaokrąglonymi narożnikami i bardziej opływowym kształtem. Same przejścia przewodów są płytsze niż w standardowych wersjach, co ogranicza powstawanie „martwych przestrzeni” i zmniejsza ryzyko osadzania się zanieczyszczeń.
Czy wymagania dotyczące sterylności i higieny w produkcji są coraz bardziej rygorystyczne? Jak to wpływa na projektowanie urządzeń?
Wymagania te systematycznie rosną, co wynika m.in. ze wzrostu świadomości projektantów, konstruktorów oraz klientów końcowych, inwestujących w maszyny i urządzenia. Dzięki temu produkcja żywności staje się coraz bardziej bezpieczna i ryzyko zanieczyszczenia produktu końcowego znacząco maleje. Od lat oferujemy specjalne rozwiązania, które wspierają spełnianie coraz bardziej rygorystycznych wymagań i mają realny wpływ na sposób projektowania oraz doboru komponentów w urządzeniach dla branży spożywczej i farmaceutycznej.
Jakie najczęstsze błędy popełniają zakłady przemysłowe przy wyborze lub eksploatacji urządzeń automatyki w trudnych środowiskach?
Błędy zazwyczaj wynikają z niewłaściwego doboru rozwiązań do realnych warunków pracy. Dotyczy to przede wszystkim materiałów – komponenty są często wybierane pod kątem ceny, a nie odporności na środowisko i wymagania procesu technologicznego, co przekłada się na niższą trwałość i częstsze awarie. Rozwiązania higieniczne oraz wykonane ze stali nierdzewnej bywają droższe na starcie, ale w dłuższej perspektywie zapewniają większą niezawodność i niższe koszty eksploatacji. Drugim powtarzającym się problemem jest nieprawidłowy dobór i utrzymanie wymaganej klasy szczelności IP w całym urządzeniu. Przykładowo: nawet jeśli szafa sterownicza ma IP68, to po zastosowaniu dławnic, wentylatora czy przepustów kablowych o niższym IP (np. IP65) faktyczny poziom ochrony całego zestawu spada do najsłabszego elementu – w tym przypadku do IP65. Dlatego kluczowe jest, aby wszystkie zastosowane komponenty miały spójny, wymagany stopień ochrony.
WILGOĆ I WODA
Wysoka wilgotność powietrza i woda to czynniki środowiskowe, których wpływ na urządzenia jest wyjątkowo destrukcyjny. W produkcji spożywczej i farmaceutycznej kontakt z nimi jest, niestety, nieunikniony. W tych branżach z obecnością wilgoci i wody trzeba się liczyć stale, bo ich źródłem są zarówno surowce, jak i procesy ich przetwórstwa. Ilość oraz intensywność oddziaływania tych czynników różnią się w zależności od specyfiki produkcji.
Przemysł spożywczy opiera się na surowcach mniej albo bardziej mokrych, takich jak owoce i warzywa, mięso, oraz tych w postaci płynnej albo półpłynnej, jak mleko. Źródłem wody są również procesy technologiczne prowadzone „na mokro”, takie jak mycie, chłodzenie, obróbka termiczna. Zakłady mleczarskie, przetwórstwa mięsa, warzyw, owoców i linie rozlewnicze napojów stanowią również środowisko o wysokiej wilgotności względnej, w którym dodatkowo zachodzą gwałtowne zmiany temperatury. Szczególnie niekorzystne bywają sytuacje, w których gorące powierzchnie maszyn są nagle schładzane, gdyż sprzyja to kondensacji pary wodnej wewnątrz i na zewnątrz urządzeń. Poza tym mycie i sterylizacja CIP/SIP powodują okresowe silne oddziaływanie strumieni wody i roztworów czyszczących pod wysokim ciśnieniem, często o podwyższonej temperaturze.
Choć w przemyśle farmaceutycznym woda występuje rzadziej jako bezpośredni element procesów, jej obecności nie można zlekceważyć. Źródłem zawilgocenia powietrza są natomiast m.in. procesy sterylizacji parowej. W tej branży problematyczne stają się szczególnie obszary przejściowe pomiędzy strefami o różnych klasach czystości, temperaturach i wilgotności, gdzie dochodzi do kondensacji wilgoci, np. na obudowach urządzeń.
Co wyróżnia złącza hermetyczne?
Krytycznym elementem obudów są złącza. Jeżeli będą użytkowane w warunkach, w których czynniki środowiskowe mogą przez nie przenikać do wnętrza urządzenia, by do tego nie dopuścić, trzeba korzystać z modeli z uszczelnieniem. W tym zakresie można wybrać jedno z dwóch rozwiązań, w zależności od wymagań. Są to złącza: wodoodporne i pyłoszczelne lub hermetyczne. Wodoodporność i pyłoszczelność zapewniają uszczelnienia z tworzyw sztucznych. W złączach hermetycznych z kolei izolację kontaktów wykonuje się ze szkła, ceramiki lub żywicy. Są one zaprojektowane tak, by wytrzymywały wysokie ciśnienie. Dużą popularnością cieszy się zwłaszcza pierwszy z wymienionych materiałów. Wśród zalet złączy hermetycznych z uszczelnieniem ze szkła wymienić należy: trwałość, wytrzymałość mechaniczną oraz wysoką temperaturę pracy. Proces uzyskiwania gazoszczelności polega na topieniu szkła w piecu do czasu, aż wypełni ono przestrzeń między kontaktami i obudową wkładki, a pomiędzy szkłem i metalem wytworzą się trwałe wiązania. Wówczas temperatura jest obniżana aż do schłodzenia wkładów. Aby zapewnić szeroki zakres temperatur pracy, szkło i metal powinny charakteryzować się zbliżonymi współczynnikami rozszerzalności termicznej. Zapobiega to powstawaniu niekontrolowanych naprężeń i przesunięć komponentów wkładki przy zmianach temperatury.
SKUTKI
Wnikanie wody do ich wnętrza ma wiele negatywnych skutków, jak zwarcia. Inne z kolei rozwijają się powoli, przez co są trudniejsze do wykrycia. Przykładowo, nawet niewielkie ilości wody mogą z czasem spowodować skorodowanie ścieżek na płytkach drukowanych, złączy i styków, prowadząc do niestabilnej pracy układów elektronicznych, błędów pomiarowych albo okresowych przerw w transmisji danych. W dłuższej perspektywie wilgoć przyspiesza również starzenie się materiałów izolacyjnych, obniża ich wytrzymałość dielektryczną i zwiększa prądy upływu. Równie istotnym problemem jest gromadzenie się wody na powierzchniach urządzeń, szczególnie w zagłębieniach, przy złączach i elementach montażowych. To nie tylko zwiększa ryzyko korozji, ale stwarza także sprzyjające warunki do rozwoju mikroorganizmów, niedopuszczalne w środowiskach higienicznych i sterylnych.
Generalnie, negatywny wpływ wody i wilgoci na urządzenia nasila się w określonych warunkach ich eksploatacji, do których zaliczane są częste cykle nagrzewania i chłodzenia przy nieefektywnej wentylacji. Kolejną przyczyną są także błędy montażowe, np. nieprawidłowe uszczelnienie przepustów kablowych. Ponadto, jeśli kontakt z tymi czynnikami jest nieunikniony, nie powinno się korzystać z urządzeń, które nie zostały zaprojektowane pod kątem odporności na nie, np. nie są przystosowane do mycia i sterylizacji w systemach CIP/SIP. W praktyce bowiem większość awarii nie wynika z samej obecności wilgoci i wody, lecz z ich dotarcia do miejsc, które nie zostały przygotowane na taki kontakt.
Jacek Łobodziec
ifm electronic
Jakie rozwiązania automatyki oferujemy specjalnie dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego? Co wyróżnia nasze produkty w pracy w trudnych środowiskach?
W ofercie ifm znajdują się rozwiązania przeznaczone do rozwiązywania problemów automatyzacji w branżach spożywczej i farmaceutycznej – od czujników procesowych ciśnienia, przepływu, temperatury i poziomu, po systemy cyfrowego monitoringu i integracji danych. Przykładem jest higieniczny przepływomierz SM Foodmag z IO-Link, który jednocześnie mierzy przepływ, temperaturę i przewodność medium, zapewniając centralną diagnostykę i precyzyjne sterowanie procesem. Dzięki cyfrowej transmisji IO-Link możliwe jest automatyczne zbieranie danych, minimalizacja sygnałów analogowych i pełna integracja z systemami sterowania. Nasze czujniki są projektowane z myślą o najwyższych standardach higieny, zapewniając spójność jakości i niezawodność pracy w trudnych warunkach.
Jakie klasy szczelności IP oferują nasze urządzenia i do jakich zastosowań są najbardziej odpowiednie?
Produkty ifm używane w higienicznych aplikacjach charakteryzują się wysokimi klasami ochrony, takimi jak IP68 i IP69K. Warto wskazać w tym kontekście higieniczne czujniki ciśnienia serii PI, które są odporne na zanurzenie w wodzie, mycie wysokociśnieniowe i działanie pary gorącej. To jest kluczowe w procesach CIP i SIP, stosowanych w produkcji żywności i farmaceutyków. Wytrzymałość konstrukcji oraz użycie wysokiej jakości stali nierdzewnej i odpornych chemicznie materiałów zapewnia niezawodność pracy nawet w środowiskach agresywnych chemicznie i wysokotemperaturowych. Czy nasze urządzenia mają certyfikaty i atesty wymagane w branży spożywczej i farmaceutycznej?
Czujniki ifm wykorzystywane w środowiskach higienicznych spełniają wymagania EHEDG, FDA oraz standardów sanitarnych 3A. Można tu wskazać czujnik przewodności LDL201, który umożliwia monitorowanie stężenia środków myjących w procesach CIP i wspiera zachowanie pełnej sterylności linii produkcyjnej. Konstrukcja takich urządzeń eliminuje martwe przestrzenie i ułatwia czyszczenie, a certyfikaty poświadczają zgodność z wymogami dotyczącymi kontaktu z żywnością oraz ułatwiają wykonywanie dokumentacji walidacyjnej wymaganej w zakładach farmaceutycznych.
Jak nasze rozwiązania radzą sobie z najbardziej wymagającymi czynnikami środowiskowymi: wilgocią, wodą pod ciśnieniem, ekstremalnymi temperaturami i agresywnymi chemikaliami?
Urządzenia ifm są projektowane tak, aby zachować stabilność pomiaru i niezawodność działania nawet w ekstremalnych warunkach. Dobry przykład stanowią czujniki temperatury z technologią TCC. Poza pomiarem temperatury oferują one funkcję samokontroli dokładności pomiaru, a ich całkowicie spawana obudowa ze stali nierdzewnej 316 skutecznie eliminuje ryzyko wnikania wilgoci czy kondensatu – co przekłada się na wyższą trwałość i redukcję błędów pomiarowych.
Warto też wspomnieć o punktowych czujnikach poziomu LMH, które dzięki ceramicznej końcówce pomiarowej odpornej na wysokie temperatury (do 250°C) oraz konstrukcji dostosowanej do higienicznych i przemysłowych zastosowań zapewniają niezawodne wykrywanie poziomu medium i jednocześnie pomiar temperatury jednego punktu instalacji. To rozwiązanie redukuje potrzebę stosowania dodatkowych sensorów, upraszczając instalację i zwiększając odporność na agresywne środowiska produkcyjne.
OCHRONA PRZED WODĄ I WILGOCIĄ
Podstawowym sposobem ograniczenia ryzyka wnikania wilgoci i wody do obudowy jest właściwy dobór stopnia jej szczelności, zadeklarowany przez producenta zgodnie z klasyfikacją z normy IEC 60529. Poziom tej ochrony determinuje zastosowanie urządzenia. W warunkach jedynie okresowego występowania zawilgocenia powietrza, kondensacji i poddawania działaniu strumienia wody sprawdzą się obudowy o klasie co najmniej IP65, a w przypadku silnego strumienia wody lub zalewania falą – IP66. Taką ochronę zapewniają jednoczęściowe uszczelki obwodowe, odpowiednio zaprojektowane zamknięcia oraz ograniczenie liczby otworów i złączy.
Gdy urządzenie jest narażone na czasowe zanurzenie lub intensywne mycie, standardem powinna być obudowa o klasie IP67. Osiągnięcie takiego poziomu ochrony wymaga wprowadzenia specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, takich jak wielopunktowe systemy uszczelnień, precyzyjne dopasowanie pokryw, przepusty kablowe o podwyższonej szczelności. Często stosuje się także hermetyzację elementów elektronicznych przez zalanie specjalnymi zastygającymi płynami, tworzącymi nieprzepuszczalną barierę ochronną. Najbardziej wymagające warunki, typowe dla linii technologicznych, których wyposażenie ma bezpośredni kontakt z surowcami w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, wymagają stosowania obudów o klasie IP69. W tym przypadku deklarowana jest szczelność nawet w razie zalania strugą gorącej wody pod dużym ciśnieniem.
Radomir Ochocki
igus
Jakie rozwiązania automatyki oferują Państwo dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego?
Jako igus dostarczamy systemy prowadzenia przewodów, łożyska ślizgowe, prowadnice liniowe i napędy wykonane z wysokowydajnych polimerów „motion plastics”, projektowane pod kątem pracy w strefach higienicznych. Wszystkie produkty działają bez potrzeby smarowania, co jest wyjątkowo istotne w pomieszczeniach czystych lub czyszczonych. Mamy również wersje o podwyższonej odporności chemicznej, jeśli w produkcji wykorzystywane są środki czyszczące. Nasze systemy e-prowadników z materiałów odpornych na środki myjące są przeznaczone do aplikacji typu washdown.
Jakie klasy szczelności IP proponujecie?
W przypadku kompletnych systemów osi liniowych i modułów napędowych zapewniamy konfiguracje z silnikami spełniające wymagania do IP65–IP69K, co pozwala na bezpieczną pracę w środowiskach mokrych, przy myciu wysokociśnieniowym oraz w strefach CIP. Większość produktów wykazuje jednak odporność chemiczną dopasowaną do zastosowania i nie potrzebuje klasy szczelności, aby efektywnie pracować.
Z czego wykonane są komponenty automatyki marki igus?
Kluczowym materiałem są wysokowydajne polimery tribologiczne z rodziny iglidur, opracowane specjalnie do pracy bezsmarowej w środowiskach higienicznych. Przykładowo iglidur A180 i A350 to materiały zgodne z FDA oraz rozporządzeniem UE 10/2011, przeznaczone do bezpośredniego kontaktu z żywnością. Charakteryzują się niskim współczynnikiem tarcia, bardzo dobrą odpornością na ścieranie oraz stabilnością wymiarową w warunkach podwyższonej wilgotności. W aplikacjach wymagających podwyższonej odporności chemicznej stosujemy m.in. iglidur H370 lub A160, odporne na detergenty alkaliczne i środki dezynfekcyjne stosowane w CIP. Parą łożyskową dla materiałów iglidur jest w takim środowisku najczęściej stal nierdzewna, których mamy kilka rodzajów w ofercie.
W systemach liniowych drylin W i drylin N wykorzystujemy anodowane aluminium lub stal nierdzewną AISI 304/316 jako elementy nośne oraz polimerowe wózki ślizgowe. Taka kombinacja eliminuje konieczność smarowania, a jednocześnie zapewnia odporność korozyjną i łatwość czyszczenia. Dla stref mokrych oferujemy również prowadnice i wałki ze stali nierdzewnej w połączeniu z łożyskami iglidur odpornymi na hydrolizę. Z kolei e-prowadniki do stref washdown wykonywane są z materiałów odpornych na środki myjące i promieniowanie UV, np. z modyfikowanych polimerów – jak seria E2.1 lub E4.1. Dostępne są także wersje z certyfikowanymi materiałami do branży spożywczej oraz z otwartą konstrukcją ułatwiającą samooczyszczanie. W przypadku systemów readychain i gotowych modułów napędowych stosujemy śruby trapezowe lub kulowe ze stali nierdzewnej oraz nakrętki z tworzyw iglidur o właściwościach samosmarownych. W aplikacjach farmaceutycznych, gdzie istotna jest redukcja cząstek (low particle emission), wykorzystujemy materiały o kontrolowanej emisji zużyciowej, testowane w laboratoriach igus.
Jeśli chodzi o elementy uszczelniające współpracujące z naszymi systemami, rekomendujemy – zależnie od medium – EPDM (odporność na parę i środki alkaliczne), FKM/fluoroelastomery (wysoka odporność chemiczna), PTFE (niski współczynnik tarcia, odporność na media agresywne) oraz silikon w aplikacjach o podwyższonych wymaganiach temperaturowych. Dobór zawsze opieramy na analizie środowiska pracy, temperatury, cykli mycia oraz wymagań regulacyjnych.
Czy stosowane przez igus materiały mają certyfikaty i atesty wymagane w branży spożywczej i farmaceutycznej?
Stosujemy tworzywa zgodne z FDA i UE 10/2011, m.in. iglidur A180 czy A350, a także stal nierdzewną AISI 304/316 w komponentach konstrukcyjnych. Wybrane materiały spełniają wymagania EHEDG oraz są przystosowane do koncepcji HACCP. Brak smarów i zamknięta struktura polimerów ograniczają rozwój biofilmu. Do zastosowań farmaceutycznych oferujemy materiały testowane pod kątem emisji cząstek oraz kompatybilności z pomieszczeniami czystymi (cleanroom), zgodnie z wymaganiami norm ISO dotyczących klasyfikacji czystości powietrza (np. ISO 14644 – stosowane w Polsce w sektorze farmaceutycznym). Na rynku polskim kluczowe znaczenie mają zgodność z rozporządzeniami UE dotyczącymi kontaktu z żywnością, spełnienie wymagań REACH i RoHS oraz dbałość producenta o certyfikowane systemy ISO. Dzięki temu nasze komponenty mogą być bezpiecznie stosowane w zakładach spożywczych i farmaceutycznych działających w Polsce.
Jakie rozwiązania stosujecie, aby urządzenia igus były łatwe do czyszczenia i spełniały wymogi konstrukcji higienicznych?
Nasze komponenty pracują w zakresie od –40°C do +120°C (a wybrane materiały wyżej), są odporne na wilgoć, parę wodną i agresywne media czyszczące. Konstrukcje pozbawione martwych przestrzeni, z gładkimi powierzchniami i zaokrąglonymi krawędziami, ułatwiają mycie. W systemach CIP (clean in place) kluczowa jest stabilność wymiarowa i odporność na hydrolizę – parametry te są weryfikowane w testach długookresowych w naszym centrum badawczym. W ofercie igus jest wiele takich produktów, np. łożysko wieńcowe PRT o higienicznej konstrukcji.
Co należy dziś do największych wyzwań technicznych w automatyzacji zakładów spożywczych i farmaceutycznych?
Największym wyzwaniem jest łączenie wysokiej higieny z elastycznością produkcji i skracaniem serii – szczególnie w obszarze biofarmacji i przetwórstwa świeżej żywności. Wymagania sanitarne są coraz bardziej rygorystyczne, co wymusza projektowanie urządzeń od podstaw, zgodnie z zasadą „hygienic by design”. Częstym błędem użytkowników jest dobór komponentów wyłącznie pod kątem IP, bez analizy odporności chemicznej i tribologicznej w rzeczywistych warunkach pracy.
ZAPYLENIE
Kolejny czynnik, który nie powoduje od razu widocznych uszkodzeń, ale w dłuższej perspektywie prowadzi do stopniowej utraty funkcjonalności urządzeń, to zapylenie. Pyły bowiem, zwłaszcza te drobne, łatwo przenikają do wnętrza obudów, osadzają się na powierzchniach roboczych i – same lub w połączeniu z innymi czynnikami środowiskowymi – wpływają na działanie różnych podzespołów. Dodatkowo zwiększają ryzyko zanieczyszczenia produktów.
W zakładach przetwórstwa żywności głównym źródłem zapylenia są surowce sypkie, jak mąka, cukier, skrobia, kakao, mleko w proszku, przyprawy. Najbardziej pylące procesy to z kolei operacje przesypywania, dozowania i mieszania suchych składników, rozdrabnianie i mielenie. Szczególnie intensywne zapylenie występuje także na etapach rozładunku surowców sproszkowanych z worków i ich transportu – na takich stanowiskach cząstki pyłów mogą bardzo długo pozostawać zawieszone w powietrzu. Czynnikiem sprzyjającym utrzymywaniu się zapylenia jest niska wilgotność względna powietrza. W halach produkcyjnych, w których poddawane są obróbce suche składniki w takich warunkach, pył nie ulega bowiem aglomeracji, czyli zlepianiu w większe grudki, co ułatwiłoby jego usunięcie, tylko łatwo unosi się w powietrzu i nawet gdy osiądzie na elementach wyposażenia, łatwo go znów wzbić w powietrze.
Z kolei w sektorze farmaceutycznym źródłem pyłów są substancje do produkcji leków, czynne oraz dodatki, które zwykle mają postać bardzo drobno zmielonych proszków. Do najbardziej pylących operacji należą: ich mieszanie; granulacja sucha, czyli łączenie proszków w granulki jedynie pod wpływem ciśnienia; tabletkowanie, które polega na sprasowaniu mieszanki substancji leczniczych i pomocniczych i ich uformowaniu w tabletkę o określonym kształcie i wielkości; oraz napełnianie proszkami kapsułek.
Jaki materiał na uszczelki?
Jednym z popularniejszych materiałów uszczelnień jest kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM). Wyróżnia go odporność chemiczna, w tym na alkaliczne i kwasowe środki czyszczące. Przykładowo, w branży mleczarskiej sprawdza się w kontakcie z większością produktów, z wyjątkiem tych o dużej zawartości tłuszczu. Uszczelniania z EPDM są montowane w nalewarkach, dozownikach, pompach oraz zaworach. Na tłuszcze i oleje pochodzenia zwierzęcego i roślinnego jest z kolei odporny kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy (NBR). Nie stanowi on jednak dobrego wyboru, jeśli uszczelki będą czyszczone ozonem lub parą wodną. Na wpływ pary wodnej i ozonu są odporne fluoroelastomery. Są również kompatybilne z olejami i tłuszczami roślinnymi, tłuszczami zwierzęcymi i produktami mlecznymi o dużej zawartości tłuszczu. Uszczelki z tego materiału wyróżnia też długa żywotność. Te z perfluoroelastomeru są droższe, lecz sprawdzają się w ekstremalnie agresywnych warunkach procesu i czyszczenia, w których uszczelnienia z innych materiałów szybko ulegają zniszczeniu. Co ważne, fluoroelastomery i perfluoroelastomery nie wchłaniają i nie przenoszą smaków ani aromatów. Silikon jest preferowany w produkcji spożywczej ze względu na to, że nie rozwijają się na nim bakterie, pleśnie, grzyby. Jest również odporny na wysokie temperatury i zachowuje elastyczność w niskich, a sprawdza się, wystawiony na działanie ozonu oraz tlenu. Ważną zaletą silikonu jest także łatwość formowania wtryskowego złożonych geometrii. Dużą odpornością charakteryzuje się politetrafluoroetylen (PTFE). Wykazuje ponadto małe tarcie, co pozytywnie wpływa na żywotność uszczelek z tego materiału. Odporność na zużycie, w tym w kontakcie z mediami ściernymi i przy dużym tarciu, cechuje z kolei te wykonane z polieteroeteroketonu i polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej.
KONSEKWENCJE I OCHRONA
Pyły, które wnikają do wnętrza obudów przez szczeliny, przepusty kablowe czy elementy wentylacyjne, prowadzą do stopniowego pogarszania warunków pracy urządzeń. Jednym z szybciej odczuwalnych skutków jest przedwczesne zużycie elementów ruchomych, w przypadku których drobne cząstki pyłu powodują zwiększenie się tarcia. Jest to szczególnie zauważalne w łożyskach, przekładniach, prowadnicach liniowych. W efekcie dochodzi do zwiększenia luzów i wzrostu oporów ruchu, co z kolei przekłada się na nieregularną pracę napędów i siłowników, których częściami są wymienione podzespoły.
Zapylenie stanowi również istotne źródło błędów pomiarowych, zwłaszcza w przypadku czujników optycznych, enkoderów i systemów wizyjnych. Pyły osadzające się na elementach optyki, tłumiąc i rozpraszając sygnały świetlne, wpływają na zmianę charakterystyk układów detektorów, co skutkuje zafałszowaniem wyników pomiarów, utratą powtarzalności pomiarów, częstymi nieuzasadnionymi alarmami.
Drobiny, które przedostaną się do wnętrza obudów, osiadają na płytkach drukowanych, radiatorach i elementach zasilania. Taka warstwa izolacyjna ogranicza efektywność odprowadzania ciepła z tych podzespołów, co w konsekwencji prowadzi do ich przegrzewania się. Poza tym pyły w połączeniu z wilgocią mogą tworzyć przewodzące osady, które nie tylko przyspieszają korozję metalowych powierzchni, ale zwiększają też prądy upływu i ryzyko lokalnych zwarć. Co gorsza, w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym pyły często mają właściwości higroskopijne, co zwiększa ich zdolność do wiązania wilgoci z otoczenia. Dodatkowo wiele substancji leczniczych może wchodzić w reakcje chemiczne z materiałami obudów i podzespołów elektronicznych, co dodatkowo sprzyja rozwojowi korozji.
Ponadto w produkcji farmaceutycznej zapylenie jest źródłem bezpośredniego ryzyka kontaminacji krzyżowej pomiędzy seriami produkcyjnymi. Nawet bowiem śladowe ilości substancji czynnych jednego typu przeniesione na inne produkty mogą skutkować koniecznością wycofania całych partii i długotrwałymi przestojami w produkcji, wymaganymi do ich usunięcia.
Podstawowym środkiem ograniczania wpływu zapylenia jest hermetyzacja urządzeń, realizowana przez stosowanie obudów o odpowiedniej klasie szczelności – zwykle IP6x, zapewniającej całkowitą ochronę przed wnikaniem pyłów. Zwykle rezygnuje się wówczas z tradycyjnego chłodzenia, gdyż wraz z powietrzem z zewnątrz wentylator zasysałby do wnętrza obudowy pył. Alternatywą są rozwiązania bezwentylatorowe, oparte np. na wymiennikach ciepła powietrze-powietrze lub powietrze-płyn. Z kolei elementy ruchome zabezpiecza się przez wykonanie ich z materiałów o podwyższonej odporności na ścieranie. Kable prowadzi się w sposób otwarty, bez koryt, w których mógłby gromadzić się pył, i podłącza za pośrednictwem złączy hermetycznych lub zintegrowanych z przewodem. Chcąc z kolei ograniczyć zapylenie u źródła, m.in. montuje się lokalne wyciągi pyłu w punktach przesypywania i dozowania substancji sypkich, korzysta z zamkniętych mieszalników i granulatorów oraz utrzymuje się kontrolowane różnice ciśnień pomiędzy strefami produkcyjnymi, aby zapobiec niekontrolowanemu przepływowi pyłów.
Adam Michallek
Turck
Jakie rozwiązania automatyki oferują Państwo specjalnie dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznego?
Oferujemy szerokie spektrum urządzeń odpornych na ciśnieniowe mycie chemiczne, zaczynając od czujników, poprzez oprzewodowanie, na przyciskach bezpieczeństwa skończywszy. Urządzenia Turck wyróżniają się ponadto działaniem w niskich temperaturach od –40˚ C włącznie, co sprawia, że idealnie nadają się do pracy w mroźniach spożywczych.
Jakie najczęstsze błędy popełniają zakłady przemysłowe przy wyborze urządzeń automatyki w trudnych środowiskach?
Klienci przy doborze urządzeń kierują się ceną, która niesie za sobą zastosowanie tańszych, standardowych komponentów, ulegających w trudnych warunkach szybkiej awarii, generując koszty przestojów i częstej wymiany.
Kryteriami, jakimi powinniśmy kierować się przy doborze urządzeń pracujących w trudnych środowiskach, są: temperatura pracy, szczelność, odporność na korozję oraz kompatybilność elektromagnetyczna.
ŚRODKI CHEMICZNE
Wyposażenie linii produkcyjnych w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym jest poddawane działaniu środków chemicznych nie tylko w wyniku specyfiki procesów technologicznych, ale w dużym stopniu również z powodu procedur higienicznych. W efekcie urządzenia są narażane na kontakt z substancjami o wysokiej reaktywności, zazwyczaj w podwyższonej temperaturze i przy długim czasie ekspozycji. Czynniki te agresywność chemiczną jeszcze potęgują.
W myciu i dezynfekcji w produkcji tak żywności, jak i leków używane są różne środki. Przykłady to: detergenty o silnie alkalicznym odczynie na bazie wodorotlenku sodu lub potasu, stosowane do usuwania tłuszczów i białek w systemach CIP (patrz ramka: Zautomatyzowane mycie), środki zawierające kwas azotowy, fosforowy lub cytrynowy, używane do usuwania osadów mineralnych i kamienia, oraz związki chloru, jak podchloryn sodu i alkohole (etanol, izopropanol), wykorzystywane do dezynfekcji. Substancje te oddziałują na urządzenia nie tylko podczas mycia, ale również jako osady, aerozole i opary, które osiadają na powierzchniach i penetrują szczeliny konstrukcyjne.
Długotrwała ekspozycja na agresywne chemikalia prowadzi do złożonych mechanizmów degradacji materiałów, które często postępują w sposób trudny do wykrycia na wczesnym etapie. W przypadku elementów metalowych najczęściej obserwuje się korozję wżerową i szczelinową – szczególnie w połączeniach śrubowych, na spawach i krawędziach obudów. Z kolei tworzywa sztuczne, jak elastomery, w kontakcie z alkoholem, utleniaczami czy rozpuszczalnikami mogą pęcznieć, pękać oraz tracić elastyczność, co bezpośrednio wpływa na skuteczność uszczelnień i izolacji z nich wykonanych. W praktyce oznacza to stopniową utratę szczelności obudów, nawet jeżeli pierwotnie gwarantowały one wysoki poziom ochrony IP. Problematyczne są szczególnie te środowiska, w których działanie środków chemicznych wzmacniane jest wpływem wilgoci i podwyższonej temperatury. W takich warunkach procesy korozji metali i degradacji właściwości tworzyw sztucznych postępują szybciej, a produkty niepożądanych reakcji mogą stanowić dodatkowe źródło zanieczyszczeń na liniach produkcyjnych.
Ochrona przed oddziaływaniem chemicznym wymaga świadomego doboru materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych, dostosowanych do konkretnego składu środków myjących i dezynfekujących, używanych w danym zakładzie. Popularnym materiałem jest stal nierdzewna. Dodatkowo gładkie wykończenie powierzchni ułatwia spłukiwanie pozostałości chemikaliów. Dąży się oprócz tego do wyeliminowania szczelin, ostrych krawędzi i zagłębień, w których mogłyby gromadzić się resztki agresywnych substancji. W praktyce przekłada się to na wykonywanie ciągłych spoin, używanie jednorodnych materiałów i korzystanie z konstrukcji umożliwiających spływanie chemikaliów.
Monika Jaworowska
