คุณจะเลือกวาล์วกระบวนการหมักที่เหมาะสมสำหรับการทำงานที่ถูกสุขลักษณะและเชื่อถือได้ได้อย่างไร

เหตุใดการเลือกวาล์วจึงมีความสำคัญในระบบกระบวนการหมัก

ในกระบวนการหมักใดๆ ไม่ว่าจะเป็นการต้มเบียร์ การผลิตยา การปลูกโปรไบโอติก หรือการผลิตเอนไซม์ทางอุตสาหกรรม วาล์วถือเป็นองค์ประกอบที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดในระบบ โดยจะควบคุมการไหลของตัวกลาง น้ำซุปสำหรับเพาะเลี้ยง สารทำความสะอาด ไอน้ำ และก๊าซผ่านเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ สายส่ง และอุปกรณ์แปรรูป วาล์วที่รั่ว กักเก็บการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ นำวัสดุแปลกปลอมเข้าไป หรือไม่สามารถปิดผนึกได้อย่างน่าเชื่อถือ อาจทำให้กระบวนการหมักทั้งหมดมีมูลค่าหลายพันหรือหลายแสนดอลลาร์เสียหายได้ นอกเหนือจากการสูญเสียแบทช์ การเลือกวาล์วที่ไม่เหมาะสมในการหมักทางเภสัชกรรมหรือการหมักอาหารสามารถกระตุ้นให้เกิดเหตุการณ์การไม่ปฏิบัติตามกฎระเบียบซึ่งส่งผลให้มีการปิดโรงงานหรือการเรียกคืนผลิตภัณฑ์

ความท้าทายในการเลือกสิ่งที่ถูกต้อง วาล์วกระบวนการหมัก อยู่ในการผสมผสานความต้องการเฉพาะของส่วนประกอบเหล่านี้ พวกเขาจะต้องรักษาการผนึกสุญญากาศจากแรงกดดันภายในในระหว่างการหมักแบบแอคทีฟ ทนต่อรอบการฆ่าเชื้อที่รุนแรงโดยใช้ไอน้ำหรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ต้านทานการกัดกร่อนจากตัวกลางในกระบวนการที่เป็นกรดหรือด่าง และนำเสนอพื้นผิวภายในที่สามารถทำความสะอาดได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่มีขาตายหรือรอยแยกที่จุลินทรีย์สามารถสะสมได้ ไม่มีวาล์วชนิดใดที่ตอบสนองความต้องการทั้งหมดได้อย่างเท่าเทียมกันในทุกการใช้งาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมวิศวกรกระบวนการที่มีประสบการณ์จึงเลือกการออกแบบวาล์วที่แตกต่างกันสำหรับจุดต่างๆ ในขบวนกระบวนการหมัก

ประเภทวาล์วทั่วไปที่ใช้ในการหมัก

การออกแบบวาล์วที่แตกต่างกันหลายแบบถูกนำมาใช้กับระบบการหมัก โดยแต่ละแบบมีจุดแข็งในการทำงานเฉพาะซึ่งทำให้เหมาะสมกับเงื่อนไขการบริการเฉพาะ การทำความเข้าใจหลักการทำงานและข้อจำกัดของแต่ละประเภทเป็นพื้นฐานของการเลือกวาล์วที่มีประสิทธิภาพ

วาล์วไดอะแฟรม

วาล์วไดอะแฟรมเป็นวาล์วประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการหมักและกระบวนการทางชีวภาพที่ถูกสุขลักษณะ หลักการทำงานมีความสง่างามในความเรียบง่าย: ไดอะแฟรมยืดหยุ่นที่ทำจากวัสดุอีลาสโตเมอร์จะถูกกดเข้ากับฝายหรืออานในตัววาล์วเพื่อให้ปิด และหดกลับเพื่อให้มีการไหล ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการออกแบบนี้คือกลไกการสั่งงาน — วงล้อจักร, แอคชูเอเตอร์แบบนิวแมติก และชุดประกอบฝากระโปรง — ถูกแยกออกจากของไหลในกระบวนการโดยสิ้นเชิงด้วยไดอะแฟรม ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงที่สารหล่อลื่น อนุภาคโลหะ หรือสิ่งปนเปื้อนภายนอกจะเข้าสู่กระแสกระบวนการ และหมายความว่าไม่มีซีลก้านหรือต่อมบรรจุที่สามารถรั่วไหลของตัวกลางในกระบวนการออกสู่ชั้นบรรยากาศได้ วาล์วไดอะแฟรมมีให้เลือกทั้งแบบฝายและแบบเจาะตรงทั้งแบบ โดยแบบแบบฝายให้ประสิทธิภาพการปิดที่ดีเยี่ยม และแบบแบบตรงที่ให้การระบายน้ำที่ดีกว่าและแรงดันตกคร่อมลดลงสำหรับตัวกลางที่มีความหนืด

วาล์วปีกผีเสื้อ

วาล์วปีกผีเสื้อสุขาภิบาลถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในสายการหมักและช่องทางออกด้านล่างของถัง ซึ่งจำเป็นต้องมีการควบคุมการไหลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ด้วยต้นทุนที่ต่ำ แผ่นกลมที่ติดตั้งบนเพลากลางจะหมุนภายในตัววาล์วเพื่อปรับหรือปิดการไหล ในรูปแบบสุขอนามัย แผ่นดิสก์และตัวถังภายในได้รับการขัดเงาให้มี Ra ≤ 0.8 µm และซีลเพลาใช้แผ่นบุยางแบบเปลี่ยนได้ซึ่งมีทั้งซีลเบาะนั่งและซีลเพลาในส่วนประกอบเดียว วาล์วปีกผีเสื้อให้การทำงานแบบหมุนสี่รอบที่รวดเร็ว ขนาดที่หันหน้าเข้าหากันที่กะทัดรัด และแรงดันตกคร่อมต่ำในตำแหน่งเปิดเต็มที่ ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งกับการปล่อยถัง ท่อส่งคืน CIP และหัวถ่ายโอนขนาดใหญ่ ข้อจำกัดของพวกเขาคือจานตรงกลางจะยังคงอยู่ในเส้นทางการไหลเสมอแม้ว่าจะเปิดเต็มที่ ซึ่งทำให้เกิดการกีดขวางเล็กน้อย และทำให้ไม่เหมาะกับน้ำซุปหรือสารละลายที่มีความหนืดสูงในการหมักที่มีปริมาณของแข็งสูง

บอลวาล์ว

บอลวาล์วสุขาภิบาลมีทรงกลมเจาะซึ่งหมุนเพื่อจัดตำแหน่งหรือปิดกั้นเส้นทางการไหล ทำให้มีการไหลเต็มรูในตำแหน่งเปิดโดยมีแรงดันตกคร่อมเกือบเป็นศูนย์ ในการออกแบบที่ถูกสุขลักษณะ ลูกบอลและตัวเครื่องผลิตจากสแตนเลส 316L ที่มีพื้นผิวภายในขัดด้วยไฟฟ้าหรือขัดเงาด้วยกลไก และวงแหวนรองนั่งทำจากคอมโพสิต PTFE หรือ PTFE ที่ให้ความทนทานต่อสารเคมีในช่วง pH ที่กว้างมาก บอลวาล์วเป็นที่ต้องการสำหรับบริการแยกเปิด/ปิดในท่อจ่ายก๊าซหมัก พอร์ตเก็บตัวอย่าง และวงจรฆ่าเชื้อ เนื่องจากโครงสร้างแบบเต็มรูช่วยให้ระบายน้ำได้อย่างสมบูรณ์ และรูปทรงที่เรียบง่ายทำให้ทำความสะอาดได้ง่าย อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปไม่แนะนำให้ใช้กับบริการควบคุมปริมาณ เนื่องจากการเปิดบางส่วนทำให้เกิดความปั่นป่วนและการพังทลายของที่นั่ง PTFE เมื่อเวลาผ่านไป

บ่าวาล์ว (แบบผสมและแบบที่นั่งเดียว)

วาล์วที่นั่งเดี่ยวและวาล์วที่นั่งคู่แบบผสมกันถูกนำมาใช้ในโรงงานหมักที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งต้องจัดการสตรีมผลิตภัณฑ์หลายรายการภายในท่อเดียวกันโดยไม่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนข้าม วาล์วแบบที่นั่งเดี่ยวใช้ปลั๊กทรงกรวยหรือปลั๊กแบนกดกับบ่าที่นั่งแบบกลึงในตัววาล์ว ให้ประสิทธิภาพการปิดที่ดีเยี่ยมและรูปทรงระบายน้ำได้เองเมื่อติดตั้งในทิศทางที่แนะนำ วาล์วที่นั่งคู่แบบผสมกันมีองค์ประกอบปิดอิสระ 2 ชิ้น โดยมีช่องรั่วระหว่างองค์ประกอบทั้งสองซึ่งระบายออกสู่บรรยากาศ แม้ว่าจะมีเบาะนั่งตัวหนึ่งรั่ว ที่นั่งตัวที่สองจะป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ใดๆ เข้าถึงด้านตรงข้ามของวาล์ว และการรั่วไหลใดๆ ก็ตามจะถูกระบายออกสู่ท่อระบายน้ำอย่างปลอดภัย การออกแบบกั้นสองชั้นนี้มีผลบังคับใช้ในโรงงานหมักโคนมและเภสัชกรรม ซึ่งการออกแบบกระบวนการจำเป็นต้องมีการประมวลผลผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันไปพร้อมกันในระบบท่อร่วม

การเลือกใช้วัสดุสำหรับตัววาล์วและส่วนประกอบที่เปียก

วัสดุที่ใช้ในส่วนที่เปียกของวาล์วกระบวนการหมัก ได้แก่ ตัววาล์ว ส่วนปิด เบาะ และซีล จะต้องทนทานต่อสภาวะทางเคมี ความร้อน และชีวภาพเฉพาะของกระบวนการ ในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของพื้นผิวตลอดรอบการฆ่าเชื้อซ้ำๆ การเลือกวัสดุที่ไม่ถูกต้องเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวของวาล์วก่อนเวลาอันควรและการปนเปื้อนในกระบวนการในโรงงานหมัก

• สแตนเลส 316L: วัสดุมาตรฐานสำหรับตัววาล์วสุขาภิบาลและภายในสำหรับการหมักอาหาร เครื่องดื่ม และยา ปริมาณคาร์บอนต่ำของ 316L (คาร์บอนสูงสุด 0.03%) ช่วยลดอาการแพ้และการกัดกร่อนตามขอบเกรนในระหว่างรอบการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำซ้ำๆ ปริมาณโมลิบดีนัมมีความต้านทานต่อการเกิดรูพรุนที่เกิดจากคลอไรด์ได้ดีกว่า เมื่อเทียบกับสเตนเลส 304 ซึ่งมีความสำคัญในระบบ CIP ที่ใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์หรือสารฆ่าเชื้อคลอรีนอื่นๆ
• EPDM (เอทิลีน โพรพิลีน ไดอีน โมโนเมอร์): อีลาสโตเมอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับไดอะแฟรมและซีลบ่าในวาล์วหมัก EPDM มีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำ สารเคมีที่เป็นด่าง CIP และตัวกลางที่เป็นน้ำตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ไม่สามารถใช้ได้กับน้ำมันหรือตัวทำละลายที่มีส่วนประกอบของไฮโดรคาร์บอน แต่ไม่ค่อยเป็นปัญหาในสภาพแวดล้อมการหมักที่มีน้ำ
• PTFE (โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน): ใช้สำหรับวงแหวนบ่าในบอลวาล์วและเป็นวัสดุซับในวาล์วไดอะแฟรมที่สัมผัสกับสภาวะทางเคมีที่รุนแรง PTFE เป็นสารเฉื่อยทางเคมีกับตัวกลางกระบวนการเกือบทั้งหมดที่พบในการหมัก รวมถึงกรดแก่ เบสแก่ และสารฆ่าเชื้อแบบออกซิไดซ์ แต่มีความยืดหยุ่นจำกัด และต้องบิดอย่างระมัดระวังระหว่างการประกอบเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของเบาะนั่ง
• ยางซิลิโคน: เลือกใช้ในการหมักทางเภสัชกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพสำหรับไดอะแฟรมและซีล โดยที่จำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดของ FDA และการลดขนาดสารสกัดออกให้เหลือน้อยที่สุด ซิลิโคนมีสารประกอบที่สามารถสกัดได้ต่ำ โดยธรรมชาติ สามารถนึ่งฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำได้ และเข้ากันได้กับวิธีการฆ่าเชื้อด้วยการฉายรังสีแกมมาที่ใช้ในระบบกระบวนการทางชีวภาพแบบใช้ครั้งเดียว
• เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์และโลหะผสมสูง: ใช้ในสภาพแวดล้อมการหมักที่รุนแรงซึ่งมีความเข้มข้นของคลอไรด์สูง ตัวกลาง pH ต่ำ หรืออุณหภูมิที่สูงขึ้นซึ่งเกินความต้านทานการกัดกร่อนของมาตรฐาน 316L เกรดดูเพล็กซ์ เช่น 2205 หรือเกรดซูเปอร์ออสเทนนิติก เช่น 904L ให้ดัชนีความต้านทานการเกิดรูพรุน (PREN) ที่สูงขึ้นอย่างมากสำหรับสภาวะการบริการที่มีความต้องการสูงเหล่านี้

มาตรฐานด้านสุขอนามัยและข้อกำหนดการตกแต่งพื้นผิว

วาล์วกระบวนการหมักที่ใช้ในการผลิตอาหาร เครื่องดื่ม ผลิตภัณฑ์นม และยาต้องเป็นไปตามมาตรฐานการออกแบบด้านสุขอนามัยที่ได้รับการยอมรับ ซึ่งควบคุมการตกแต่งพื้นผิว ขนาดขาตาย ความสามารถในการระบายน้ำ และการตรวจสอบย้อนกลับของวัสดุ การปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงระเบียบข้อบังคับเท่านั้น แต่ยังกำหนดโดยตรงว่าสามารถทำความสะอาดและฆ่าเชื้อวาล์วได้อย่างน่าเชื่อถือในการให้บริการหรือไม่ โดยไม่มีการปนเปื้อนที่ตกค้างระหว่างชุดงาน

มาตรฐานหลักสองมาตรฐานที่ควบคุมการออกแบบวาล์วด้านสุขอนามัย ได้แก่ มาตรฐานสุขาภิบาล 3-A (ใช้เป็นหลักในอเมริกาเหนือ) และแนวทาง EHEDG (กลุ่มวิศวกรรมและการออกแบบด้านสุขอนามัยของยุโรป) (ใช้ในยุโรปและในระดับสากลเป็นหลักสำหรับการใช้งานด้านเภสัชกรรม) มาตรฐานทั้งสองกำหนดว่าความหยาบของพื้นผิวที่เปียกต้องไม่เกิน Ra 0.8 µm สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ โดยที่ Ra 0.4 µm หรือดีกว่านั้นจำเป็นสำหรับการให้บริการทางเภสัชกรรมปลอดเชื้อ การตกแต่งพื้นผิวทำได้โดยการขัดเชิงกล การขัดเงาด้วยไฟฟ้า หรือทั้งสองอย่างร่วมกัน การขัดเงาด้วยไฟฟ้าไม่เพียงแต่ช่วยลดความหยาบของพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังช่วยขจัดเหล็กที่ฝังอยู่และสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวอื่นๆ อีกด้วย สร้างชั้นโครเมียมออกไซด์แบบพาสซีฟที่ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน

การควบคุมขาที่ตายแล้วถือเป็นข้อกำหนดการออกแบบด้านสุขอนามัยที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ขาที่ตายแล้วคือส่วนใดๆ ของท่อหรือช่องวาล์วที่ไม่ได้ถูกกวาดโดยการไหลของกระบวนการหลักหรือกระแสการทำความสะอาด CIP ทำให้เกิดพื้นที่นิ่งที่จุลินทรีย์สามารถสะสมและแพร่พันธุ์ระหว่างรอบการทำความสะอาดได้ กฎอุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับจำกัดขาตายให้มีความยาวไม่เกิน 1.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ การออกแบบวาล์วที่รวมช่องปิดภาคเรียน พอร์ตตาบอด หรือห้องบรรจุก้านที่สื่อสารกับของเหลวในกระบวนการถือเป็นการละเมิดข้อกำหนดนี้ และไม่เป็นที่ยอมรับในบริการหมักที่ถูกสุขลักษณะ

การเปรียบเทียบประเภทของวาล์วตามการใช้งานของการหมัก

ตำแหน่งที่แตกต่างกันในกระบวนการหมักต้องอาศัยคุณลักษณะวาล์วที่แตกต่างกัน ตารางต่อไปนี้จะจับคู่ประเภทวาล์วที่พบบ่อยที่สุดกับจุดใช้งานที่เหมาะสมที่สุดภายในโรงงานหมักทั่วไป

ตัวเลือกการสั่งงานและระบบอัตโนมัติในระบบวาล์วหมัก

โรงงานหมักสมัยใหม่ทำงานด้วยระบบอัตโนมัติในระดับสูง และการสั่งงานวาล์วเป็นองค์ประกอบหลักของสถาปัตยกรรมการควบคุมกระบวนการ วาล์วแบบแมนนวลเหมาะสำหรับการทำงานที่ไม่บ่อยนัก เช่น การแยกการบำรุงรักษาหรือการสุ่มตัวอย่างแบบแมนนวล แต่วาล์วส่วนใหญ่ในระบบหมักแบบต่อเนื่องหรือแบบป้อนเป็นกลุ่มจะถูกสั่งงานด้วยระบบนิวแมติกหรือแบบไฟฟ้า และควบคุมโดยระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS) หรือตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) ของโรงงาน

ตัวกระตุ้นแบบนิวแมติกเป็นเทคโนโลยีการสั่งงานที่พบบ่อยที่สุดในระบบวาล์วหมัก เนื่องจากมีความเรียบง่าย รวดเร็ว เชื่อถือได้ และปลอดภัยในสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงต่อการเกิดประกายไฟทางไฟฟ้าเนื่องจากตัวทำละลายหรือก๊าซที่ติดไฟได้ แอคชูเอเตอร์แบบสปริงกลับแบบออกฤทธิ์ทางเดียวเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการเปิด/ปิด เนื่องจากไม่สามารถไปยังตำแหน่งที่ปลอดภัยที่กำหนดไว้ ไม่ว่าจะเปิดสุดหรือปิดสุด เมื่อสูญเสียแรงดันอากาศของอุปกรณ์ พฤติกรรมป้องกันความผิดพลาดนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญในระบบการหมัก โดยที่ตำแหน่งวาล์ว ณ จุดที่ไฟฟ้าดับหรือไฟฟ้าขัดข้องสามารถระบุได้ว่าแบทช์จะได้รับการบันทึกไว้หรือสูญหาย แอคทูเอเตอร์แบบสองทางซึ่งต้องใช้แรงดันอากาศทั้งในการเปิดและปิด จะถูกใช้งานเมื่อต้องใช้แรงในการกดที่สูงมาก หรือในกรณีที่ตำแหน่งที่ปลอดภัยเมื่อเกิดข้อผิดพลาดไม่สำคัญต่อความปลอดภัยของกระบวนการ

การตอบสนองตำแหน่งวาล์วนั้นมาจากลิมิตสวิตช์หรือตัวส่งสัญญาณตำแหน่งที่ติดตั้งบนชุดแอคทูเอเตอร์ ซึ่งจะยืนยันกับระบบควบคุมว่าวาล์วเปิดสุด ปิดสุด หรืออยู่ที่ตำแหน่งกลาง ในการหมักยาปลอดเชื้อ ระบบควบคุมจะต้องได้รับการตอบรับตำแหน่งที่ได้รับการยืนยันก่อนดำเนินการขั้นตอนต่อไปในลำดับอัตโนมัติ วาล์วที่ไม่สามารถยืนยันตำแหน่งที่ได้รับคำสั่งภายในระยะเวลาหมดเวลาที่กำหนดจะส่งสัญญาณแจ้งเตือนและหยุดลำดับ ป้องกันไม่ให้กระบวนการดำเนินการในสถานะที่ไม่ได้กำหนดหรือไม่ปลอดภัย ตัวกำหนดตำแหน่งที่มีความสามารถในการสื่อสาร HART หรือฟิลด์บัสช่วยให้สามารถติดตามตำแหน่งวาล์วและการรวบรวมข้อมูลการวินิจฉัยได้อย่างต่อเนื่อง ช่วยให้สามารถโปรแกรมการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ที่ระบุการเสื่อมสภาพของวาล์วก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว