{{{sourceTextContent.title}}}

Prevenzione dell'ossidazione mediante centrifughe sigillate e inertizzazione con gas inerte

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Il presente white paper illustra in che modo le centrifughe decanter a tenuta stagna, protette da un flusso di gas inerte, migliorano l’efficienza e la sicurezza nelle operazioni di disidratazione e separazione dei materiali sensibili all’ossigeno.

{{{sourceTextContent.description}}}

Tradizionalmente, i solidi e i liquidi vengono separati tramite filtrazione o con apparecchiature a pressione. Sebbene questi metodi siano efficaci, la moderna tecnologia di separazione automatizzata rappresenta un’ottima alternativa per una separazione più rapida e un approccio più efficiente. Molti prodotti sono sensibili all’ossidazione. Eliminare o almeno ridurre al minimo la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera all’interno del sistema di separazione è fondamentale per proteggere la qualità, la durata di conservazione e l’efficacia del prodotto.

I sistemi di separazione a centrifuga sigillati e che utilizzano un'inertizzazione con gas inerte possono essere utilizzati in modo sicuro ed efficace, evitando l’esposizione all’ossigeno. Alcune applicazioni in cui vengono utilizzate centrifughe sigillate e inertizzate con gas inerte includono:

Oli e grassi alimentari (ad es. olio d’oliva, oli di semi, grassi animali)
Succhi di frutta e verdura
Chiarificazione della birra
Estratti vegetali e di alghe
Prodotti farmaceutici

Come vengono sigillate le centrifughe?
Sovrapressione. Questo metodo può essere utilizzato solo con apparecchiature progettate per la sovrapressione. L’aria all’interno viene rimossa aggiungendo e rilasciando continuamente gas inerte ad alta pressione nell’apparecchiatura sigillata. Questa operazione viene ripetuta fino a quando la concentrazione di ossigeno all’interno dell’apparecchiatura non raggiunge il livello desiderato. Successivamente, mentre l’apparecchiatura è in funzione, la pressione interna viene mantenuta a un valore superiore alla pressione atmosferica (sebbene tale pressione di esercizio sia comunque molto inferiore a quella utilizzata durante l’inertizzazione).
Vuoto. Tutta l’aria all’interno dell’apparecchiatura viene rimossa mediante evacuazione. Successivamente, il vuoto viene interrotto mediante il lavaggio con gas inerte. A seconda dell’apparecchiatura, questa procedura deve essere ripetuta una o due volte. Per questo processo sono necessarie apparecchiature progettate per mantenere il vuoto.
Spurgo a flusso continuo: questo metodo viene utilizzato per impianti, macchine, contenitori e apparecchiature non progettate per elevate sovrapressioni o per il vuoto. Funziona immettendo gas inerte nell’apparecchiatura in un punto del sistema chiuso e rilasciandolo contemporaneamente in un altro punto distanziato dal punto di immissione. In genere è prevista una sequenza di pre-spurgo a portate più elevate e una sequenza di ricopertura durante il normale funzionamento dell’apparecchiatura.

I sistemi centrifughi discussi in questo documento utilizzano una variante del terzo metodo, ovvero lo spurgo a flusso continuo. È inoltre importante notare che i sistemi centrifughi con spurgo a flusso continuo sono “tecnicamente a tenuta”, il che è diverso dall’essere sigillati ermeticamente. Un’apparecchiatura sigillata ermeticamente garantisce una tolleranza pari a zero in termini di perdite, mentre la “tenuta” in un sistema tecnicamente a tenuta non può essere garantita in modo permanente a causa del suo design, del suo funzionamento, ecc.

Un concetto di progettazione che si adatta a molteplici applicazioni
Il progetto di base utilizzato per prevenire l’ossidazione può essere personalizzato in base a materiali e contesti specifici. L’aria all’interno della centrifuga viene sostituita da un gas inerte, solitamente azoto o anidride carbonica. Ciò crea una tenuta che impedisce l’ingresso dell’ossigeno e mantiene l’atmosfera necessaria per il trattamento del materiale.

Un’atmosfera interna adeguata garantisce una maggiore qualità e sicurezza del prodotto

L’esposizione all’ossigeno atmosferico all’interno della centrifuga può portare all’ossidazione e, di conseguenza, al degrado del prodotto o alla perdita di qualità. L’obiettivo di un sistema centrifugo sigillato è quello di raggiungere e mantenere la concentrazione limite di ossigeno (LOC) desiderata all’interno del sistema del decanter.

La creazione di un’atmosfera interna che soddisfi la composizione atmosferica desiderata avviene in due fasi: il pre-spurgo e il ricopertura con gas inerte.
La fase di pre-spurgo avviene prima dell’avvio della macchina. L’interno della centrifuga viene lavato con gas inerte (ad esempio, anidride carbonica o azoto) per espellere l’ossigeno. Ciò avviene riempiendo l’alloggiamento fino a quando la pressione supera 0,290 PSI e prosegue finché il flusso di gas inerte non ha sostituito più volte il volume interno della centrifuga oppure finché un sensore di ossigeno non indica la concentrazione di ossigeno richiesta, o entrambe le cose. Il tempo necessario varia a seconda delle dimensioni del decanter, ma solitamente è inferiore a 30 minuti.

Dopo il spurgo, l’interno della centrifuga viene “ricoperto” dal gas inerte, formando una tenuta ermetica. In questa fase, il sistema viene mantenuto a una leggera sovrapressione. Ciò determina una pressione differenziale costante rispetto all’atmosfera, che impedisce all’atmosfera esterna di penetrare all’interno.

È importante sottolineare che il sistema di alimentazione del gas inerte deve essere dotato di una ridondanza sufficiente a garantire la disponibilità continua di gas durante i periodi di fermo della centrifuga in caso di eventuali guasti.

Come funziona un sistema di spurgo e ricopertura con gas inerte
Per calcolare la quantità di gas necessaria a sostituire il volume della vasca del decanter viene utilizzata una formula matematica standard. Una volta sostituito un volume adeguato e raggiunte condizioni operative sicure, il sistema è considerato in stato operativo (cioè inerte).

Una tenuta costituita da diversi anelli di tenuta separa l’interno della centrifuga dall’atmosfera esterna. L’utilizzo di elementi di tenuta multipli, comprese guarnizioni aggiuntive sui passanti dell’albero e sugli alloggiamenti, crea una tenuta tecnicamente ermetica. Ciò riduce anche la quantità di gas inerte utilizzata, poiché le tenute contribuiscono a garantire perdite minime in tutto il sistema.

Il gas inerte viene immesso tra gli anelli di tenuta. Esso fluisce attraverso strette aperture di tenuta, sia verso l’interno che verso l’atmosfera esterna. Ciò è possibile solo se la pressione sulla superficie di tenuta è superiore alla pressione all’interno dell’alloggiamento del decantatore (> 0,290 PSI) e a quella dell’atmosfera esterna. La pressione differenziale (0,725–1,45 PSI) tra l’alloggiamento e il punto di alimentazione del gas viene monitorata e controllata. Le guarnizioni vengono pressurizzate, impedendo all’ossigeno di entrare nel sistema.

Sensori di monitoraggio dell’ossigeno vs. sistemi di spurgo a flusso continuo
Le concentrazioni interne di ossigeno possono essere gestite in due modi: con sensori di ossigeno o con un sistema di spurgo a flusso continuo. I sensori di ossigeno monitorano la concentrazione di ossigeno all’interno dell’alloggiamento della centrifuga. Un vantaggio dell’utilizzo di questi sensori è il monitoraggio continuo che offrono, specialmente se la pressione differenziale tra l’interno dell’alloggiamento e l’atmosfera è < 0,290 PSI.

I sensori di ossigeno forniscono informazioni dirette sul fattore di rischio rappresentato dalla concentrazione di ossigeno. Al contrario, un sistema di spurgo a flusso continuo è indiretto e si basa sui setpoint dei sensori di pressione. Finché viene mantenuta la sovrapressione sulle guarnizioni/sull’alloggiamento, l’ossigeno proveniente dall’ambiente non può penetrare nel sistema e la concentrazione di ossigeno viene mantenuta al di sotto del livello critico. Ciò avviene tramite misuratori di portata e manometri.

Tuttavia, poiché i sistemi a flusso continuo si basano sui setpoint dei sensori di pressione, le applicazioni che richiedono pressioni differenziali più basse potrebbero essere soggette a arresti errati del sistema. In questi casi, i sensori di ossigeno possono fornire un monitoraggio più sensibile di questa zona di pericolo.

Entrambi i metodi garantiscono un funzionamento sicuro se correttamente progettati, installati e sottoposti a manutenzione. Purtroppo, il punto debole di un sensore di ossigeno è il sensore stesso, che richiede programmazione del PLC, calibrazione, sostituzione periodica e manutenzione. Nel complesso, lo spurgo a flusso continuo offre una migliore usabilità netta rispetto al monitoraggio dell’ossigeno.

Una soluzione sicura ed efficiente per la separazione
L’utilizzo di un gas inerte per creare una centrifuga ermeticamente sigillata o spurgata rappresenta un’ottima soluzione per una vasta gamma di applicazioni nei settori alimentare, delle bevande e farmaceutico, tra gli altri.

Una volta messa in servizio, è necessario definire un programma di prove di tenuta ed eseguirlo regolarmente per verificare la tenuta dell’unità di spurgo. La manutenzione ordinaria e i punti di controllo includono manometri, misuratori di portata e tubi flessibili. Anche le linee di alimentazione devono essere controllate a intervalli regolari per verificare la presenza di danni, ostruzioni e tenuta.

Le centrifughe sono estremamente efficienti, con una produttività superiore rispetto ai filtri o alle presse, e funzionano in modo continuo, anziché a lotti come nel caso dei filtri o delle presse. Con una centrifuga spurgata è possibile separare due fasi, tre fasi o un’emulsione molto leggera. Molti sistemi sono inoltre completamente automatizzati, il che riduce il tempo impiegato dall’operatore per la supervisione della macchina.

Informazioni sull’autore

Lee Betkowski ricopre da 13 anni il ruolo di responsabile del settore biotecnologico, chimico e farmaceutico (BCP) presso Flottweg. In precedenza ha lavorato per Krauss Maffei (centrifughe a spinta e a separazione, essiccatori), Rosenmund (essiccatori a filtro) e De Dietrich (attrezzature in acciaio per la lavorazione del vetro). Vanta quasi 30 anni di esperienza nei settori biotecnologico, chimico e farmaceutico, prevalentemente nel campo delle centrifughe