Die ther­mi­sche Kurz­zeit­be­hand­lung wird in der Lebens­mit­tel­in­dus­trie für ver­schie­dens­te Pro­duk­te wie Milch, Misch­ge­trän­ke oder flüs­si­ge Nah­rungs­mit­tel ein­ge­setzt, um patho­ge­ne Mikro­or­ga­nis­men abzu­tö­ten und die Halt­bar­keit der Pro­duk­te zu ver­län­gern. Da eine Hoch­druck­ho­mo­ge­nisa­ti­on nach einer ther­mi­schen Behand­lung Lebens­mit­tel nicht wie­der ver­un­rei­ni­gen darf, ist bei allen ein­ge­setz­ten Kom­po­nen­ten auf eine hygie­ne­ge­rech­te bezie­hungs­wei­se asep­ti­sche Kon­struk­ti­on, Mate­ri­al­wahl sowie Appli­ka­ti­on zu ach­ten. Bis­lang wird bei der ver­bau­ten Pum­pen­tech­nik in der Regel auf Kol­ben­pum­pen zurück­ge­grif­fen, deren Ein­satz im Hin­blick auf eine asep­ti­sche Pro­duk­ti­ons­si­cher­heit nur die zweit­bes­te Wahl dar­stellt. Denn trotz kon­struk­ti­ver Berück­sich­ti­gung von Kol­ben­pa­ckun­gen mit Ste­ril­bar­rie­ren und Spül­vor­rich­tun­gen besteht das Risi­ko einer Rück­ver­kei­mung nach einer in-Pro­zess CIP/­SIP-Rei­ni­gung. Auch führt die dadurch ent­ste­hen­de ther­mi­sche Belas­tung zu einem erhöh­ten Ver­schleiß des Kol­bens und des­sen Abdicht­sys­tems und damit zu einer stark redu­zier­ten Stand­zeit – ins­be­son­de­re bei abra­si­ven Inhalts­stof­fen der behan­del­ten Lebens­mit­tel. Eine Alter­na­ti­ve stel­len Pro­zess­mem­bran­pum­pen dar: Sie ver­fü­gen über einen her­me­tisch dich­ten Arbeits­raum, der über die Mem­bran von Hydrau­lik­raum und Pro­zess­um­ge­bung her­me­tisch abge­trennt ist. Dies ver­hin­dert eine Fluid­raum­ver­un­rei­ni­gung nach innen und schließt somit eine Kon­ta­mi­na­ti­on des Pro­zess­rau­mes ein­schließ­lich der Lebens­mit­tel aus.

Lis­te­ri­en in Käse, E. Coli-Bak­te­ri­en in Fleisch und Sal­mo­nel­len in Baby­milch – in letz­ter Zeit häu­fen sich Lebens­mit­tel­skan­da­le und Renom­mee-schä­di­gen­de Rück­ruf­ak­tio­nen gro­ßer Her­stel­ler. Dies sen­si­bi­li­siert zuneh­mend die Ver­brau­cher und erhöht den Druck auf die Bran­che: Beson­ders bei hygie­nisch anspruchs­vol­len und emp­find­li­chen Pro­duk­ten ist es daher uner­läss­lich, noch genau­er auf eine lücken­lo­se Pro­duk­ti­ons­hy­gie­ne mit ein­wand­frei­en hygie­ni­schen Pro­zess­schrit­ten zu ach­ten, um die mikro­bio­lo­gi­sche Inte­gri­tät zu gewähr­leis­ten. Dabei gilt grund­sätz­lich: Gute mikro­bio­lo­gi­sche Qua­li­tät und lan­ge Sta­bi­li­tät im Ein­klang mit hohen Kun­den­er­war­tun­gen – bei­spiels­wei­se im Hin­blick auf gute geschmack­li­che Eigen­schaf­ten sowie an die Gesund­heit und Nach­hal­tig­keit des Pro­dukts – machen scho­nen­de und zuver­läs­si­ge asep­ti­sche Her­stell­pro­zes­se not­wen­dig. Ther­mi­sche Kurz­zeit­be­hand­lung (UHT-Ver­fah­ren) und kon­se­quen­te nach­ge­schal­te­te asep­ti­sche Tech­nik kön­nen hier­für eine lebens­mit­tel­tech­no­lo­gisch zuver­läs­si­ge Lösung bie­ten.

Neue Trends im Food- und-Beverage-Bereich wie „natur­be­las­se­ne“ inno­va­ti­ve Rea­dy-to-eat-Pro­duk­te for­dern die Nah­rungs­mit­tel­ver­sor­gungs­ket­te hin­sicht­lich der Lebens­mit­tel­si­cher­heit her­aus. Dies gilt nicht nur für stei­gen­de Erwar­tun­gen an die Fri­sche sowie die Zusatz­stoff- und Kon­ser­vie­rungs­mit­tel­frei­heit von Pro­duk­ten, wodurch ande­re Inves­ti­tio­nen in die Pro­duk­ti­ons­tech­no­lo­gie not­wen­dig wer­den als bei frü­he­ren Her­stel­lungs­pro­zes­sen. Hin­zu kom­men auch Cross­over-Pro­duk­te zwi­schen Lebens­mit­tel- und Phar­ma­sek­tor wie die trink­fer­ti­gen soge­nann­ten „Nut­ri­tio­nal Bever­ages“, die teil­wei­se hohe abra­si­ve Fest­stoff­an­tei­le (bei­spiels­wei­se durch Kal­zi­um und Nüs­se) oder mikro­bio­lo­gisch emp­find­li­chen Zuta­ten beinhal­ten. Für deren Pro­duk­ti­on sind Erfah­run­gen aus dem phar­ma­zeu­ti­schen GMP-Umfeld von Vor­teil: Dabei wer­den Nah­rungs­er­gän­zungs­stof­fe mit funk­tio­nel­len Milch­pro­te­in­quel­len, Früch­ten und Aro­men zu neu­ar­ti­gen Geträn­ken kom­bi­niert, die abhän­gig von ihren Säu­re- und pH-Wer­ten beson­de­res Augen­merk bei der Her­stel­lung benö­ti­gen. Die­se hohen Anfor­de­run­gen gel­ten auch spe­zi­ell für die For­mu­lie­rung von Baby­nah­rung und hoch­ka­lo­ri­scher kli­ni­scher Ernäh­rung (Enterale/Parenterale Flüs­sig­nah­rung). Bei der Ver­ar­bei­tung kom­men im Beson­de­ren auch der Pum­pen­tech­nik zen­tra­le Auf­ga­ben zu: etwa bei der Roh­ma­te­ria­li­en­zu­füh­rung und der rezep­tur­ge­rech­ten For­mu­lie­rung; dar­un­ter das pro­por­tio­na­le Dosie­ren und Mischen von Zuta­ten. Da die End­pro­duk­te idea­ler­wei­se bei Raum­tem­pe­ra­tur gela­gert wer­den und dabei lan­ge halt­bar blei­ben sol­len, emp­fiehlt sich auch hier eine kur­ze ther­mi­sche Behand­lung als opti­ma­le Tech­no­lo­gie mit hoher Abtöt­ra­te frem­der Kei­me – in Kom­bi­na­ti­on mit einer nach­fol­gen­den asep­ti­schen Hoch­druck­ho­mo­ge­ni­sie­rung mit Mem­bran­pum­pen­tech­no­lo­gie. Dies ver­hin­dert eine Rekon­ta­mi­na­ti­on und gewähr­leis­tet eine scho­nen­de Pro­dukt­be­hand­lung.

Rückstandsfreiheit und mikrobielle Sicherheit

Die Hoch­druck­ho­mo­ge­ni­sie­rung dient im Wesent­li­chen der Zer­klei­ne­rung und dem Mischen von Kom­po­nen­ten in einer Emul­si­on oder Disper­si­on. Bekann­tes­tes Bei­spiel dafür stellt die Milch­ho­mo­ge­ni­sie­rung dar, bei der die Fett­ag­glo­me­ra­ti­on (Auf­rah­men) ver­hin­dert wer­den soll. Dabei darf die ein­ge­setz­te Tech­nik die Qua­li­tät der Pro­duk­te nicht beein­träch­ti­gen. Dies gilt im Beson­de­ren für Säug­lings­nah­rung: Hier ist es das Ziel, über die Kom­po­nen­ten­wahl bei der Her­stel­lung den Eigen­schaf­ten von Mut­ter­milch mög­lichst nahe zu kom­men. Abso­lu­te Rück­stand­frei­heit und höchs­te mikro­bi­el­le Sicher­heit sind hier­für eine grund­le­gen­de Vor­aus­set­zung. Die­sen Ansprü­chen müs­sen die asep­ti­schen Anla­gen und die in ihnen ver­bau­ten ver­fah­rens­tech­ni­schen Appa­ra­te – wie zum Bei­spiel die Pum­pen – hin­sicht­lich Mate­ri­al­wahl und Kon­struk­ti­on genü­gen. Jeder Kom­pro­miss oder Instal­la­ti­ons­feh­ler stellt eine poten­ti­el­le spä­te­re Kon­ta­mi­na­ti­ons­quel­le dar.

Arbeitsprinzipien von Hochdruckpumpen

Die oszil­lie­ren­den Hoch­druck­pum­pen, mit denen die Hoch­druck­ho­mo­ge­ni­sier­ma­schi­nen aus­ge­rüs­tet sind, sind not­wen­dig, um das Flu­id von der Saug­sei­te über eine Feed­pum­pe (in der Regel eine Krei­sel­pum­pe) mit­tels Druck­erhö­hung auf die Homo­ge­nisa­ti­ons­ein­heit (ein- oder zwei­stu­fi­ges Ven­til) zu för­dern. Homo­ge­nisa­tor­pum­pen sind mit drei bis sechs Pum­pen­köp­fen aus­ge­rüs­tet. Pro­zesssmem­bran­pum­pen zeich­nen sich durch eine robus­te Mono­block­bau­wei­se sowie auf­grund des inte­grier­ten Schne­cken­ge­trie­bes mit hoher hydrau­li­scher Leis­tung durch eine hohe Lauf­ru­he aus. Anwen­dungs­spe­zi­fisch aus­ge­leg­te ver­schleiß- und hygie­ne­op­ti­mier­te Fluid­ven­ti­le sor­gen auf Saug- und Druck­sei­te der Pum­pe für eine zuver­läs­si­ge För­de­rung. Die Ein­stel­lung auto­ma­ti­sier­ter Homo­ge­nisa­ti­ons­ven­ti­le erfolgt pneu­ma­tisch und hydrau­lisch. Die Tröpf­chen­grö­ße beim Homo­ge­ni­sie­ren ent­steht im Wesent­li­chen durch Kavi­ta­ti­on in der Kam­mer der zwei­ten Stu­fe und ist abhän­gig vom dor­ti­gen Druck­ab­fall. Die För­der­men­ge einer oszil­lie­ren­den Mem­bran­pro­zess­pum­pe fällt bei inkom­pres­si­blen Flui­den nur unwe­sent­lich mit stei­gen­dem Druck ab und kann als nahe­zu kon­stant betrach­tet wer­den. Druck­schwan­kun­gen zwi­schen oszil­lie­ren­der Pum­pe und Homo­ge­ni­sier­ven­til kann durch pul­sa­ti­ons­glät­ten­de Maß­nah­men begeg­net wer­den: durch die geeig­ne­te Wahl der Betriebs­punk­te der Pum­pe und durch rohr­lei­tungs­sei­ti­ge Dämp­fungs­maß­nah­men. Dabei kön­nen im Rah­men einer Pul­sa­ti­ons­stu­die sehr spe­zi­fi­sche dyna­mi­sche Simu­la­ti­ons­pro­gram­me bei der Aus­le­gung unter­stüt­zen.

Für Homo­ge­nisa­ti­ons­auf­ga­ben nach einer UHT-Behand­lung müs­sen die Homo­ge­nisa­ti­ons­pum­pe und das Homo­ge­nisa­ti­ons­ven­til kon­se­quen­ter­wei­se asep­ti­schen Anfor­de­run­gen genü­gen, damit die Inte­gri­tät der behan­del­ten Pro­duk­te gewahrt bleibt. Bei vie­len heu­te noch ein­ge­setz­ten Pum­pen han­delt es sich jedoch in der Regel um Kol­ben­pum­pen. Bei die­sem Typus von Aggre­gat ist zu beach­ten, dass Kol­ben­pa­ckun­gen mit Ste­ril­bar­rie­ren und Spül­vor­rich­tun­gen kon­struk­tiv vor­ge­se­hen sein müs­sen, um eine Rück­ver­kei­mung nach einer in-Pro­zess CIP/­SIP-Rei­ni­gung zu bekämp­fen. Zudem kön­nen Ver­un­rei­ni­gun­gen durch Kol­ben­ab­rieb im Packungs­be­reich bei die­ser Pum­pen­klas­se nicht aus­ge­schlos­sen wer­den. Die bes­se­re Wahl für asep­ti­sche Pro­zes­se stellt daher die Aus­rüs­tung von Homo­ge­ni­sier­schrit­ten mit her­me­tisch dich­ten Pro­zess­mem­bran­pum­pen dar.

Membranpumpentechnologie schließt Fluidkontamination aus

Die Mem­bran­pum­pe kann als erfolg­rei­che Wei­ter­ent­wick­lung der Kol­ben­pum­pe ange­se­hen wer­den, die – bezo­gen auf soge­nann­te Triplex-Mem­bran­pum­pen (drei Pum­pen­köp­fe) – einen Wir­kungs­grad von bis zu 95 Pro­zent erreicht. Sie zeich­net sich gene­rell durch einen gerin­gen Ver­schleiß sowie durch vom För­der­druck nahe­zu unab­hän­gi­ge För­der­men­gen aus. Ihr gro­ßer Vor­teil in Bezug auf die Homo­ge­nisa­ti­on liegt dar­in, dass Mem­bran­pum­pen kon­struk­ti­ons­be­dingt ohne dyna­mi­sche Dich­tungs­sys­te­me arbei­ten. Somit ist ein her­me­tisch dich­ter Arbeits­raum gewähr­leis­tet: Es gibt weder eine Emis­si­on bezie­hungs­wei­se einen Sub­strat­aus­tritt nach außen, noch einen Kei­m­ein­tritt nach innen, so dass eine Kon­ta­mi­na­ti­on des Fluids aus­ge­schlos­sen wer­den kann. Damit ist die Mem­bran­pum­pe für anspruchs­vol­le Ein­sät­ze prä­de­sti­niert. Sie eig­net sich bei­spiels­wei­se für Medi­en, die abso­lut lecka­ge­frei und betriebs­si­cher geför­dert wer­den müs­sen, da sie gefähr­lich oder abra­siv sind und kei­nes­falls in die Pro­duk­ti­ons­um­ge­bung gelan­gen dür­fen oder – wie beim Bei­spiel Säug­lings­nah­rung – kon­ta­mi­na­ti­ons­frei und ste­ril blei­ben müs­sen.