¿Cómo se elige la válvula de proceso de fermentación adecuada para un funcionamiento higiénico y confiable?

Por qué la selección de válvulas es fundamental en los sistemas de procesos de fermentación

En cualquier proceso de fermentación, ya sea elaborando cerveza, produciendo productos farmacéuticos, cultivando probióticos o fabricando enzimas industriales, las válvulas se encuentran entre los componentes más importantes del sistema. Regulan el flujo de medios, caldo de cultivo, agentes de limpieza, vapor y gases a través de biorreactores, líneas de transferencia y equipos de procesamiento. Una válvula que tiene fugas, alberga contaminación microbiana, introduce materiales extraños o no logra sellar de manera confiable puede comprometer un lote de fermentación completo que vale miles o incluso cientos de miles de dólares. Más allá de la pérdida de lotes, la selección inadecuada de válvulas en la fermentación farmacéutica o de calidad alimentaria puede desencadenar eventos de incumplimiento normativo que resulten en cierres de instalaciones o retiradas de productos.

El desafío de seleccionar el correcto válvula de proceso de fermentación radica en la combinación única de exigencias impuestas a estos componentes. Deben mantener un sello hermético contra las presiones internas durante la fermentación activa, resistir ciclos de esterilización agresivos utilizando vapor o productos químicos cáusticos, resistir la corrosión de medios de proceso ácidos o alcalinos y presentar superficies interiores que puedan limpiarse completamente sin patas muertas ni grietas donde se puedan acumular microorganismos. Ningún tipo de válvula satisface todos estos requisitos por igual en todas las aplicaciones, por lo que ingenieros de procesos experimentados seleccionan diferentes diseños de válvulas para diferentes puntos del tren del proceso de fermentación.

Los tipos de válvulas más comunes utilizados en la fermentación

Se emplean varios diseños de válvulas distintos en los sistemas de fermentación, cada uno con fortalezas funcionales específicas que lo hacen apropiado para condiciones de servicio particulares. Comprender el principio de funcionamiento y las limitaciones de cada tipo es la base para una selección eficaz de válvulas.

Válvulas de diafragma

La válvula de diafragma es el tipo de válvula más utilizado en aplicaciones de bioprocesamiento y fermentación higiénica. Su principio de funcionamiento es elegante por su simplicidad: un diafragma flexible hecho de material elastomérico se presiona contra un vertedero o asiento en el cuerpo de la válvula para lograr el cierre y se retrae para permitir el flujo. La ventaja fundamental de este diseño es que el mecanismo de actuación (el volante, el actuador neumático y el conjunto del casquete) está completamente separado del fluido del proceso por el diafragma. Esto elimina el riesgo de que lubricantes, partículas metálicas o contaminantes externos entren en la corriente del proceso y significa que no hay sellos de vástago ni prensaestopas que puedan filtrar los medios del proceso a la atmósfera. Las válvulas de diafragma están disponibles en configuraciones de cuerpo de vertedero y de paso total; el tipo de vertedero ofrece un rendimiento de cierre superior y el tipo de paso directo proporciona un mejor drenaje y una menor caída de presión para medios viscosos.

Válvulas de mariposa

Las válvulas de mariposa sanitarias se utilizan ampliamente en líneas de transferencia de fermentación y salidas de fondo de tanques donde se necesita un control de flujo de gran diámetro a bajo costo. Un disco circular montado en un eje central gira dentro del cuerpo de la válvula para modular o cerrar el flujo. En la configuración sanitaria, el disco y el interior del cuerpo están pulidos a Ra ≤ 0,8 µm y el sello del eje utiliza un revestimiento elastomérico reemplazable que proporciona tanto el sello del asiento como el sello del eje en un solo componente. Las válvulas de mariposa ofrecen una operación rápida de un cuarto de vuelta, dimensiones compactas entre caras y una baja caída de presión en la posición completamente abierta, lo que las hace muy adecuadas para descarga de tanques, líneas de retorno CIP y cabezales de transferencia grandes. Su limitación es que el disco central siempre permanece en la trayectoria del flujo incluso cuando está completamente abierto, lo que crea una obstrucción menor y los hace menos adecuados para caldos de fermentación altamente viscosos o lechadas con alto contenido de sólidos.

Válvulas de bola

Las válvulas de bola sanitarias cuentan con una esfera perforada que gira para alinearse con la ruta del flujo o bloquearla, lo que proporciona un flujo de paso total en la posición abierta con una caída de presión prácticamente nula. En diseños higiénicos, la bola y el cuerpo están fabricados de acero inoxidable 316L con una superficie interior electropulida o pulida mecánicamente, y los anillos del asiento están hechos de PTFE o compuestos de PTFE que brindan resistencia química en un rango de pH muy amplio. Se prefieren las válvulas de bola para el servicio de aislamiento de apertura y cierre en líneas de suministro de gas de fermentación, puertos de muestreo y circuitos de esterilización porque su construcción de paso total permite un drenaje completo y su geometría simple es fácil de limpiar en el lugar. Sin embargo, generalmente no se recomiendan para el servicio de aceleración ya que la apertura parcial causa turbulencia y erosión de los asientos de PTFE con el tiempo.

Válvulas de asiento (a prueba de mezclas y de asiento único)

Las válvulas de asiento único y de doble asiento a prueba de mezclas se utilizan en instalaciones de fermentación más complejas donde se deben manejar múltiples flujos de productos dentro de la misma tubería sin riesgo de contaminación cruzada. Una válvula de asiento único utiliza un tapón cónico o plano presionado contra un asiento mecanizado en el cuerpo de la válvula, lo que proporciona un excelente rendimiento de cierre y una geometría de autodrenaje cuando se instala en la orientación recomendada. Las válvulas de doble asiento a prueba de mezclas cuentan con dos elementos de cierre independientes con una cavidad de fuga entre ellos que se ventila a la atmósfera; incluso si un asiento tiene fugas, el segundo asiento evita que cualquier producto llegue al lado opuesto de la válvula y cualquier fuga se descarga de manera segura a un drenaje. Este diseño de doble barrera es obligatorio en instalaciones de fermentación láctea y farmacéutica donde el diseño del proceso requiere el procesamiento simultáneo de diferentes flujos de productos en tuberías compartidas.

Selección de materiales para cuerpos de válvulas y componentes húmedos

Los materiales utilizados en las partes húmedas de una válvula de proceso de fermentación (el cuerpo, el elemento de cierre, los asientos y los sellos) deben resistir las condiciones químicas, térmicas y biológicas específicas del proceso y, al mismo tiempo, mantener la integridad de la superficie durante ciclos de esterilización repetidos. La selección incorrecta de materiales es una de las principales causas de fallas prematuras de las válvulas y contaminación del proceso en las instalaciones de fermentación.

• Acero inoxidable 316L: El material estándar para cuerpos e internos de válvulas sanitarias en fermentación de alimentos, bebidas y productos farmacéuticos. El bajo contenido de carbono del 316L (máximo 0,03 % de carbono) minimiza la sensibilización y la corrosión intergranular durante los ciclos repetidos de esterilización con vapor. Su contenido de molibdeno proporciona una resistencia superior a las picaduras inducidas por cloruro en comparación con el acero inoxidable 304, lo cual es importante en los sistemas CIP que utilizan hipoclorito de sodio u otros desinfectantes clorados.
• EPDM (Monómero de etileno propileno dieno): El elastómero más utilizado para diafragmas y sellos de asiento en válvulas de fermentación. EPDM ofrece una excelente resistencia a la esterilización con vapor, productos químicos CIP alcalinos y medios acuosos en un amplio rango de temperaturas. No es compatible con aceites o disolventes a base de hidrocarburos, pero esto rara vez constituye un problema en entornos de fermentación acuosa.
• PTFE (politetrafluoroetileno): Se utiliza para anillos de asiento en válvulas de bola y como material de revestimiento en válvulas de diafragma expuestas a condiciones químicas agresivas. El PTFE es químicamente inerte a prácticamente todos los medios de proceso que se encuentran en la fermentación, incluidos ácidos fuertes, bases fuertes y desinfectantes oxidantes, pero tiene una elasticidad limitada y se debe apretar con cuidado durante el ensamblaje para mantener la integridad del asiento.
• Elastómeros de silicona: Preferido en fermentación farmacéutica y biotecnológica para diafragmas y sellos donde el cumplimiento de la FDA y la minimización de extraíbles son obligatorios. La silicona es inherentemente baja en compuestos extraíbles, se puede esterilizar en autoclave con vapor y es compatible con los métodos de esterilización por irradiación gamma utilizados en los sistemas de bioprocesamiento de un solo uso.
• Aceros inoxidables dúplex y de alta aleación: Se utiliza en ambientes de fermentación agresivos que involucran altas concentraciones de cloruro, medios de pH bajo o temperaturas elevadas que exceden la resistencia a la corrosión del estándar 316L. Los grados dúplex como el 2205 o los grados superausteníticos como el 904L proporcionan índices de resistencia a las picaduras (PREN) significativamente más altos para estas exigentes condiciones de servicio.

Normas higiénicas y requisitos de acabado superficial

Las válvulas de proceso de fermentación utilizadas en la producción de alimentos, bebidas, lácteos y productos farmacéuticos deben cumplir con estándares de diseño higiénico reconocidos que rigen el acabado de la superficie, las dimensiones del tramo muerto, la capacidad de drenaje y la trazabilidad del material. El cumplimiento de estos estándares no es simplemente una formalidad regulatoria: determina directamente si la válvula se puede limpiar y esterilizar de manera confiable en servicio sin albergar contaminación residual entre lotes.

Las dos normas principales que rigen el diseño de válvulas higiénicas son las normas sanitarias 3-A (utilizadas principalmente en América del Norte) y las directrices EHEDG (Grupo europeo de ingeniería y diseño higiénico) (utilizadas principalmente en Europa e internacionalmente para aplicaciones farmacéuticas). Ambas normas exigen que la rugosidad de la superficie húmeda no debe exceder Ra 0,8 µm para la mayoría de las aplicaciones, y se requiere Ra 0,4 µm o mejor para el servicio farmacéutico aséptico. El acabado de la superficie se logra mediante pulido mecánico, electropulido o una combinación de ambos: el electropulido no solo reduce la rugosidad de la superficie sino que también elimina el hierro incrustado y otros contaminantes de la superficie, creando una capa de óxido de cromo pasivado que mejora la resistencia a la corrosión.

El control de tramos muertos es otro requisito crítico de diseño higiénico. Un tramo muerto es cualquier sección de tubería o cavidad de válvula que no es barrida por el flujo principal del proceso o la corriente de limpieza CIP, creando una zona estancada donde los microorganismos pueden acumularse y multiplicarse entre los ciclos de limpieza. La regla aceptada de la industria limita los tramos muertos a no más de 1,5 veces el diámetro de la tubería en longitud. Los diseños de válvulas que incorporan cavidades empotradas, puertos ciegos o cámaras de empaque de vástago que se comunican con el fluido del proceso violan este requisito y no son aceptables en servicios de fermentación higiénica.

Comparación de tipos de válvulas por aplicación de fermentación

Diferentes posiciones en el tren del proceso de fermentación exigen diferentes características de válvula. La siguiente tabla asigna los tipos de válvulas más comunes a sus puntos de aplicación óptimos dentro de una instalación de fermentación típica.

Opciones de actuación y automatización en sistemas de válvulas de fermentación

Las instalaciones de fermentación modernas funcionan con altos niveles de automatización y el accionamiento de válvulas es un componente central de la arquitectura de control de procesos. Las válvulas manuales son apropiadas para operaciones poco frecuentes, como el aislamiento de mantenimiento o el muestreo manual, pero la mayoría de las válvulas en un sistema de fermentación continuo o por lotes alimentados serán accionadas y controladas neumática o eléctricamente por el sistema de control distribuido (DCS) o el controlador lógico programable (PLC) de la instalación.

Los actuadores neumáticos son, con diferencia, la tecnología de accionamiento más común en los sistemas de válvulas de fermentación porque son simples, rápidos, confiables e inherentemente seguros en entornos donde existe riesgo de chispas eléctricas debido a solventes o gases inflamables. Los actuadores de retorno por resorte de simple efecto son la opción estándar para el servicio de encendido/apagado porque fallan en una posición segura definida, ya sea completamente abiertos o completamente cerrados, ante la pérdida de presión de aire del instrumento. Este comportamiento a prueba de fallas es esencial en los sistemas de fermentación donde la posición de la válvula en el punto de falla de energía o aire puede determinar si un lote se guarda o se pierde. Los actuadores de doble acción, que requieren presión de aire para abrir y cerrar, se utilizan donde se necesitan fuerzas de actuación muy altas o donde la posición a prueba de fallos no es crítica para la seguridad del proceso.

La retroalimentación de la posición de la válvula la proporcionan interruptores de límite o transmisores de posición montados en el conjunto del actuador, que confirman al sistema de control si la válvula está completamente abierta, completamente cerrada o en una posición intermedia. En la fermentación farmacéutica aséptica, el sistema de control debe recibir retroalimentación de posición confirmada antes de pasar al siguiente paso en una secuencia automatizada: una válvula que no confirma su posición ordenada dentro de un período de tiempo definido activará una alarma y detendrá la secuencia, evitando que el proceso avance en un estado indefinido o inseguro. Los posicionadores con capacidad de comunicación HART o bus de campo permiten el monitoreo continuo de la posición de la válvula y la recopilación de datos de diagnóstico, lo que permite programas de mantenimiento predictivo que identifican la degradación de la válvula antes de que ocurra una falla.