Pompy należą do najpowszechniej wykorzystywanych urządzeń w przemyśle. W każdej branży istnieje potrzeba przemieszczania mniejszej lub większej ilości substancji płynnych na różne odległości i wysokości. Jednak pompa pompie nierówna i jej niewłaściwe dobranie może znacząco wpłynąć na koszty realizacji procesu oraz jakość i ilość wytworzonego produktu.

Kryteria doboru optymalnej pompy obejmują szereg czynników związanych zarówno z zastosowaniem czy instalacją, jak i z samym płynem, który zamierzamy pompować. Należą do nich m.in.:

• Wymagania procesu – jak pożądana wydajność pompy, precyzja pompowania/dozowania, ciśnienie i temperatura płynu, rytm produkcji, zmiany asortymentu, itd.,
• Wymagania instalacji – jak wysokość podnoszenia i ssania, temperatura otoczenia w różnych porach roku, a nawet ilość dostępnego miejsca lub możliwość wykorzystywania tego samego urządzenia do różnych zastosowań czy średnice i rodzaje króćców i przyłączy, itp.,
• Własności fizyczne pompowanego płynu – jak jego gęstość i lepkość oraz ich zależność od temperatury, właściwości reologiczne, temperatura wrzenia i zamarzania, właściwości ścierne, wrażliwość płynu lub jego składników na ścinanie i zmiany ciśnienia, itp.,
• Jednorodność płynu: zawiesiny, emulsje czy piany mogą wykazywać tendencje do separacji faz, co może zaburzać przebieg procesu produkcyjnego, dokładność dozowania i jakość produktu – a przy tym zmiany ciśnienia czy kierunków przepływu w pompie lub w przewodach mogą wpływać na tempo separacji faz i wielkość cząstek fazy rozproszonej,
• Właściwości chemiczne pompowanego płynu – np. płyny żrące, korozyjne, szkodliwe dla zdrowia, reagujące z tlenem lub podatne na zakażenie drobnoustrojami wymagają stosowania odpowiednio szczelnych i odpornych urządzeń oraz dodatkowych zabezpieczeń na wypadek wycieku,
• Wymagania związane z obsługą, jak łatwość i czasochłonność mycia lub czyszczenia, awaryjność pompy w warunkach procesu, akceptowalna częstość i czasochłonność mycia, konserwacji czy napraw oraz zużycie energii.

Dobranie właściwej pompy do warunków pracy ma ogromny wpływ jakość produktu, awaryjność urządzeń i koszty – a specyfika zakładów przetwórstwa spożywczego powoduje, że czynniki te stają się w nich szczególnie ważne. Na przykład wiele procesów jest prowadzonych w podwyższonej temperaturze, a wiele produktów i półproduktów spożywczych ma ogromną lepkość. Zawiesiny kawałków owoców lub warzyw w wodzie czy syropie – występujące podczas produkcji dżemów, sałatek oraz dresingów – grudki świeżego twarogu zawieszone w serwatce podczas produkcji sera, gęsta śmietana czy żywe drożdże w piekarnictwie i browarnictwie, są niezwykle wrażliwe na siły ścinające i skoki ciśnienia występujące wewnątrz wielu typów pomp.

Fot. 1. Przykładowy rozkład ciśnień w pompie krzywkowej i w pompie sinusoidalnej (od lewej)

W efekcie nie tylko obniża się jakość produktu, ale zwiększają się straty produkcyjne, co obniża zyskowność zakładu. Ponadto drobne cząstki stałe zawarte w produkcie mogą oblepiać zawory i inne elementy armatury, a nawet zapychać pompy utrudniając prowadzenie procesów.

Na przykład w pewnej fabryce majonezu siekane zioła zawarte w produkcie tak skutecznie zapychały źle dobraną pompę, że po dwóch godzinach pompowania jej pracę trzeba było przerywać i resztę zmiany spędzać na czyszczeniu urządzenia. Z kolei w znajdującej się pod Częstochową fabryce makaronów Goliard stare pompy miały problem z pompowaniem masy jajecznej z powodu jej zbyt wysokiej lepkości. Goliard miał też problem z myciem pomp przy każdej zmianie rodzaju produkowanego makaronu. A to, ze względu na częstą zmianę asortymentu wynikającą z oczekiwań odbiorców, było poważnym utrudnieniem i podnosiło koszty. W Okręgowej Spółdzielni Mleczarskiej w Śremie problemem okazało się pompowanie roztopionego sera o bardzo wysokiej lepkości. Na to nałożyły się kłopoty z myciem stosowanej wówczas pompy krzywkowej, w której pozostawały resztki topionego sera – których usunięcie wymagało po każdej zmianie czasochłonnego rozbierania i ręcznego mycia urządzenia. Z kolei w rodzinnym browarze Hofmann w Niemczech korki gazowe zakłócały pracę pomp krzywkowych stosowanych do pompowania zawiesiny drożdży, a w mleczarni Rodda’s w Kornwalii (Wielka Brytania) stare pompy ubijały gęstą śmietanę na masło.

Takie przykłady można mnożyć. Według artykułu opublikowanego na stronach „International Society of Automation”, tylko na skutek nieplanowanych przestojów badane zakłady tracą przynajmniej 5 proc. wydajności, a w niektórych przypadkach straty dochodziły do 20 procent. Co gorsza, cztery na pięć zakładów nie było w stanie poprawnie policzyć kosztów przestojów, a niejednokrotnie bywały one nawet dwu czy trzykrotnie niedoszacowane.

Ponadto w przemyśle spożywczym spotyka się takie substancje jak topione sery, mrożone soki, masło czy twaróg, których lepkości są mierzone w tysiącach, a nawet milionach centypauzów (cP). Ich pompowanie wiąże się ze specyficznymi wyzwaniami. Po pierwsze, jest to wysokie zużycie energii – ważne zwłaszcza teraz, w dobie coraz droższej energii i jej nośników. Jest to jednak nie tylko problem finansowy, ale też ekologiczny, ponieważ wysokie zużycie energii – zwłaszcza w Polsce, gdzie większość energii pozyskiwana jest poprzez spalanie paliw kopalnych – generuje wysoki ślad środowiskowy. Po drugie, pompowanie bardzo lepkich substancji jest związane z ogromnymi oporami przepływu. Samo zassanie produktu do pompy wymaga wytworzenia wystarczającego podciśnienia, żeby zaciągnąć materiał do pompy, a po stronie wyjściowej pompy – wysokiego ciśnienia wymaganego do przepchnięcia produktu przez instalację. Ponadto strefy niskiego ciśnienia sprzyjają parowaniu cieczy oraz wydzielaniu się rozpuszczonych w niej gazów – choćby powietrza. Powoduje to powstawanie pęcherzyków, które – zwłaszcza w przypadku cieczy lepkich – są trudne do usunięcia, a ponadto utrudniają pompowanie, zmniejszają dokładność dozowania płynów, a w przypadku pojawienia się kawitacji mogą prowadzić do uszkadzania urządzeń.

Jak sobie poradzić z takimi wyzwaniami?

Wiele firm zaciska zęby i korzysta ze znanych sobie technologii. Coraz więcej przedsiębiorstw jednak przekonuje się, że inwestowanie w nowe technologie przynosi wymierne korzyści, zarówno organizacyjne, jak i finansowe. Na przykład wymienione wcześniej OSM Śrem, Goliard i inne firmy w miejsce oryginalnych pomp wdrożyły pompy sinusoidalne MasoSine, które dzięki ogromnej sile ssania, radzą sobie z płynami – w tym wypadku raczej pastami – o lepkościach do 8 mln cP, czyli większej od smalcu.

Fot. 2. Pompa MasoSine Certa zastosowana do pompowania roztopionego sera w OSM Śrem

Przy tym pompują je bardzo płynnie, przy bardzo niskich naprężeniach ścinających i praktycznie bez pulsacji. Bardzo delikatne przepychanie pompowanego płynu przez pompę powoduje, że wrażliwe składniki – jak cząstki owoców, skrzep serowy, zioła czy żywe drożdże – nie są ani rozdrabniane na kawałki ani sklejane w większe aglomeraty. Ponadto pompy MasoSine wymagają zazwyczaj do 50% mniej mocy niż pompy konwencjonalne stosowane do przenoszenia lepkich cieczy – i nawet trzykrotnie mniej niż pompy pneumatyczne.

Pompy sinusoidalne MasoSine są też łatwe do utrzymania w czystości. Ich specyficzna konstrukcja oraz niezwykle gładkie wnętrze uzyskane dzięki elektropolerowanym powierzchniom sprawiają, że nie ma w nich miejsc, w których gromadziłyby się resztki pompowanego produktu. Pompy te można czyścić w miejscu instalacji w procesach CIP (Clean-in-place) i SIP (Steam-in-place). W razie konieczności ręcznego czyszczenia dostęp do mechanizmu pompy uzyskuje się po odkręceniu zaledwie pięciu śrub. Ponadto ich konstrukcja jest certyfikowana zgodnie z normami EHEDG typ EL klasy I, EHEDG typ EL I klasy aseptyczności, a wszystkie materiały stykające się z płynem spełniają aktualne wymagania FDA i USP klasy VI.

W przemyśle spożywczym znakomicie sprawdzają się też pompy przewodowe Bredel – więksi bracia pomp perystaltycznych. Dzięki wysokiej wydajności nadają się one do pompowania dużych objętości płynów, także zawierających wysoką zawartość cząstek stałych lub gazów.

Fot. 3. Pompa przewodowa Bredel 40

Ich typowe zastosowanie to pompowanie brzeczki piwnej na każdym etapie produkcji, odzyskiwanie drożdży po fermentacji, filtracja piwa (w tym pompowanie zawiesiny ziemi okrzemkowej tworzącej złoże filtracyjne) czy jego klarowanie. Pompy Bredel charakteryzują się niską pulsacją, samozasysaniem oraz możliwością wycofania produktu z pompy, co pozwala na znaczące uproszczenie instalacji i rezygnację z części armatury, która również wymaga konserwacji.

Specyficznym obszarem zastosowań jest dozowanie wszelkiego typu dodatków spożywczych – smakowych, aromatycznych, barwników, konserwantów itp. Zwykle są one dodawane w stosunkowo niewielkich ilościach, jednak w celu utrzymania właściwej jakości końcowego produktu powinny być dozowane bardzo precyzyjnie. W takich przypadkach bardzo dobrze sprawdzają się perystaltyczne pompy dozujące, np. marki Watson-Marlow i Qdos.

Fot. 4. Perystaltyczna pompa dozująca Qdos

Są one tak precyzyjne, że nie ma potrzeby dodatkowego mierzenia przepływu pompowanego płynu: dzięki wysokiej powtarzalności cykli pracy najlepszym miernikiem jest sama pompa. Pompy perystaltyczne pozwalają przy tym na pełne odseparowanie produktu od mechanizmu pompy i środowiska, dzięki czemu eliminuje się ryzyko jego zanieczyszczenia. Jedynym elementem pompy stykającym się z produktem jest bowiem wężyk roboczy, który można dobrać w zależności od właściwości fizycznych i chemicznych pompowanego płynu – a w razie potrzeby wymienić w ciągu zaledwie kilku minut.

Przemysł spożywczy zawsze funkcjonował w oparciu o twarde realia biznesowe i technologiczne. Jednak rosnące ceny energii oraz coraz ostrzejsze wymagania środowiskowe czy dostępność kadr stanowią dodatkowe wyzwania, którym należy stawiać czoła. Choć pompy stanowią zaledwie niewielką część instalacji produkcyjnej, to jednak właśnie one pozwalają utrzymać cały system w ruchu i mogą decydować o rentowności zakładu. Bywa nawet, że jednym z głównych kryteriów doboru urządzenia jest to, że po włączeniu go do instalacji i systemu sterowania można o nim po prostu zapomnieć.