Aby sa dosiahli tieto výhody, je potrebné presné riadenie procesu CIP. Aby bol proces účinný, musí sa použiť správne množstvo čistiaceho roztoku. Rovnako dôležité je aj odstránenie tohto čistiaceho roztoku a jeho udržiavanie mimo kontaktu s výrobkom. Je zaujímavé, že technológia merania použitá na zabezpečenie účinného a efektívneho procesu CIP je jednou z najjednoduchších a najuznávanejších – ide o analýzu vodivosti. Použitie vhodného a účinného merania vodivosti v CIP však nie je také jednoduché. Cieľom tohto článku je poskytnúť manažérom a zamestnancom podnikov tipy, techniky a osvedčené postupy pri výbere a použití technológie na meranie vodivosti.
CIP – prečo a ako
Hlavným cieľom systému CIP, bez ohľadu na priemysel, je maximalizovať bezpečnosť, zabrániť krížovej kontaminácii a zvýšiť rýchlosť spracovania. To pripomína staré príslovie „Rýchlo, lacno, dobre – vyberte dva“, ale v prípade CIP sú potrebné všetky tri. Väčšina systémov CIP sa skladá z viacerých nádrží, ktoré umožňujú recykláciu vody a možnú regeneráciu čistiacich chemikálií. Nádrže v systéme obsahujú rôzne stupne kvality vody, ako je deionizovaná voda, voda na vstrekovanie a voda pre proces reverznej osmózy (RO). Typický proces CIP zahŕňa:
1. predbežné opláchnutie vodou ošetrenou RO, pozostávajúce z troch fáz, každá v trvaní jednej minúty, aby sa odstránila veľká časť pôdneho znečistenia a nánosov,
2. nepretržité 30-minútové umývanie pomocou alkalického detergentu pri 82 °C,
3. jednominútové opláchnutie vodou ošetrenou RO,
4. 30-sekundové oplachovanie (niekedy je potrebných 10 minút alebo viac) roztokom kyseliny dusičnej alebo fosforečnej pri teplote 65 – 82 °C,
5. dvojminútové prepláchnutie vodou ošetrenou RO na odstránenie zvyškov kyseliny fosforečnej,
6. záverečné minútové opláchnutie deionizovanou vodou.
V rámci farmaceutického a biotechnologického priemyslu je proces CIP ešte rozsiahlejší a zahŕňa viac cyklov vrátane začiatočného a posledného kroku odtoku, predoplachovania, premytia hydroxidom sodným a dodatočného oplachovania. Cykly oplachovania a premývania sa pohybujú od piatich minút do jednej hodiny. Tento proces môže zahŕňať „dezinfekčný“ cyklus na zníženie úrovne bakteriálnej kontaminácie pomocou silných oxidantov, ako je peroxid vodíka, ozón, oxid chloričitý alebo iné zlúčeniny obsahujúce chlór. Po spustení procesu CIP sa okruhom prepláchne voda, ktorá „vyhľadá“ zvyšky produktu. Časová postupnosť založená na vzdialenosti a prietoku prepne ventily v správnom čase, aby sa minimalizovalo rozhranie medzi produktom a oplachovou vodou. Viac ako 90 % zvyškov produktu sa odstráni počas predoplachovania, aby sa minimalizovalo použitie pracích chemikálií. Správne čistenie (podľa FDA) je funkciou sily čistiaceho prostriedku, času a teploty čistenia.
Prečo meranie vodivosti optimalizuje CIP
Vodivosť je mierou toho, ako dobre roztok vedie elektrinu. Aby roztok mohol viesť prúd, musí obsahovať nabité častice alebo ióny. Väčšina meraní vodivosti sa vykonáva vo vodných roztokoch a ióny zodpovedné za vodivosť pochádzajú z elektrolytov rozpustených vo vode. Soli (chlorid sodný a síran horečnatý), kyseliny (kyselina chlorovodíková a kyselina octová) a zásady (hydroxid sodný a amoniak) sú elektrolyty. Aj keď rôzne elektrolyty majú rôznu vodivosť, vodivosť nie je špecifická pre konkrétne častice. Meria sa celková koncentrácia iónov v roztoku a nemožno odlíšiť jeden elektrolyt alebo ión od druhého.
Pretože rôzne čistiace roztoky používané v rámci procesu CIP sú vodivejšie ako voda použitá na preplachovanie a konečné oplachovanie, možno vodivosť použiť na monitorovanie rôznych krokov čistenia a konečného oplachovania. Za každým vyplachovaním pomocou čistiaceho roztoku zvyčajne nasleduje vyplachovanie vodou, takže každý krok čistiaceho procesu sa objaví na stĺpcovom grafe ako séria so zvyšujúcou sa vodivosťou. Po konečnom oplachovaní možno zase sledovať pokles vodivosti, až kým vodivosť neklesne na vodivosť oplachovej vody, čo naznačuje, že všetky čistiace roztoky boli vymyté.
Koncentrácia kyseliny a žieravého detergentu v procesoch CIP
Aby sa pre každý obvod technológie CIP poskytol detergent v správnej koncentrácii a aby sa potvrdilo, že čistenie sa uskutočnilo pri správnej sile detergentu, aplikuje sa meranie vodivosti na vracajúcu sa kyselinu a žieravinu. Tieto merania vodivosti sú úmerné koncentrácii alebo sile roztoku a zaznamenávajú sa pomocou riadiacich systémov na účely validácie. Kvapaliny sú často počas procesu CIP čiastočne neutralizované a je potrebné ďalšie dávkovanie koncentrátu. Merania vodivosti naznačujú, kedy bol do príslušných nádrží pridaný dostatočne silný koncentrát.
Rozhranie medzi CIP a procesom a ukončenie CIP
Meranie vodivosti je nákladovo efektívny spôsob monitorovania krokov CIP. Je vysoko účinný pri detekcii rozhrania medzi čistiacimi roztokmi a produktom, takže ventily môžu byť prepínané v primeranom čase, aby sa minimalizovalo rozhranie medzi týmito dvoma a prípadnými výslednými stratami produktu. Meranie vodivosti môže tiež určiť rozhranie medzi čistiacimi tekutinami a oplachovou vodou, aby sa minimalizoval čas CIP pri dodržaní všetkých legislatívnych predpisov.
Vodivosť: výzvy
Meranie vodivosti poskytuje nákladovo efektívny spôsob monitorovania a overovania CIP, ale aj tu treba vyriešiť niekoľko výziev. Prísne požiadavky FDA a zabezpečenie verejnej bezpečnosti znamenajú, že meranie procesov CIP musí byť veľmi presné a spoľahlivé. No niekoľko faktorov to sťažuje. Vysoké náklady na žieraviny tiež vyžadujú presné meranie, aby nedošlo k plytvaniu.
Žieravosť a náročnosť prostredia, v ktorom musí snímač vodivosti pracovať, znamená, že použitý senzor musí byť vysoko odolný, aby vydržal teplo a prítomnosť chemikálie procesu. Zároveň musí byť snímač schválený na použitie v potravinárskom alebo farmaceutickom priemysle. Jednou z hlavných požiadaviek na zariadenia a senzory, ktoré prichádzajú do styku s liečivami, potravinami či nápojmi, je, aby boli hygienicky neškodné, s materiálom vyhovujúcim triede USP VI a FDA 21CFR a ak je to možné, aby mali 3-A alebo iné hygienické osvedčenie.
Ešte väčším problémom je merací rozsah. Významnou výzvou v analýze vodivosti v procese CIP je to, že tento proces zahŕňa dva zreteľne odlišné rozsahy merania vodivosti – jeden pre stredne vysokú až vysokú koncentráciu kyseliny a lúhu a druhý pre vyčistenú oplachovaciu vodu. Preto musí byť akýkoľvek použitý snímač vodivosti vysoko citlivý a presný v celom rozsahu vodivosti CIP. Posledný a často najvýznamnejší problém pri implementácii merania vodivosti v CIP, ktorému čelia takmer všetci prevádzkoví manažéri bez ohľadu na typ priemyslu, je rýchlo sa meniaca pracovná sila. Novší personál často nemá také skúsenosti s technológiou merania ani odborné znalosti, aké mali ich predchodcovia. Problémy, ako je náročná inštalácia analytického systému a neintuitívne nastavenie a prevádzka snímača, môžu viesť k nepresnosti merania.
Optimalizácia CIP efektívnym využitím vodivosti
Vyberte si induktívny princíp
Existujú dva typy merania vodivosti: kontaktné a indukčné. Výber typu, ktorý sa má použiť, závisí od množstva vodivosti, žieravosti kvapaliny a množstva nerozpustných tuhých látok. Pri kontaktných snímačoch sú meracie elektródy v priamom kontakte s meraným roztokom, ktorý môže znečistiť elektródy alebo zapríčiniť ich korodovanie, ak sú vystavené jeho dlhodobejšiemu účinku.
Indukčné snímače majú bezkontaktné elektródy a často sa nazývajú toroidné, pretože používajú toroidné transformátory izolované od procesu (obr. 3). Jeden toroid funguje ako vysielač a druhý ako prijímač. Toroid vysielača vytvára v procesnom roztoku elektrický prúd, ktorý indukuje napätie v toroide prijímača. Sila tohto indukovaného napätia je priamo úmerná vodivosti roztoku.
Toroidy indukčných snímačov sa nemusia dotýkať vzorky. Môžu byť preto obalené plastom, čo umožňuje použitie snímača v roztokoch, ktoré by zapríčiňovali koróziu kovových elektród kontaktného snímača. Pretože indukčné senzory tolerujú aj znečistenie, môžu sa použiť v roztokoch obsahujúcich vysokú úroveň nerozpustných tuhých látok. Pokiaľ znečistenie výrazne nezmení plochu otvoru toroidu, merania budú presné. Naopak, dokonca aj ľahká vrstva nánosov na kontaktnom snímači spôsobí chybu. Všeobecne možno teda povedať, že keď je vodivosť vysoká, kvapalina korozívna alebo sú prítomné nerozpustné pevné látky, je induktívna metóda lepšia – ako je to v prípade aplikácií CIP.
Vyberte si hygienické a odolné vyhotovenie
Na rozdiel od kontaktných vodivých snímačov snímač s toroidom zriedka vyžaduje čistenie a ponúka hladký povrch bez štrbín. Na toroidných snímačoch sa preto nezhromažďujú a neuchovávajú žiadne zvyšky ani nezachytávajú mikroorganizmy. Ukladanie povlaku a zalepenie sú prakticky vylúčené. Vďaka tomu sú toroidné snímače ideálnou voľbou pre inštalácie CIP, pretože ich možno vyrobiť v hygienickom vyhotovení. Môžu byť vyrobené z materiálu vyhovujúceho USP triede VI, čo minimalizuje kontamináciu produktu. Navyše tieto materiály tiež odolávajú korózii v leptavom a vysokoteplotnom prostredí procesu CIP, pričom odolávajú teplote do 130 °C.
Pozerajte aj na merací rozsah
Pri výbere snímača induktívnej vodivosti sa zamerajte aj na merací rozsah (obr. 5). Nie všetky snímače sú dobrou voľbou pre CIP. Široký merací rozsah znamená, že snímač presne meria čistú vodu až po kvapaliny s najvyššou vodivosťou. Snímače pre procesy CIP musia umožňovať presné meranie pri veľmi vysokom rozsahu vodivosti.
Indukčné senzory sú ideálne na meranie roztokov s vysokou vodivosťou, pretože tieto roztoky produkujú veľký, ľahko merateľný indukovaný prúd v cievke prijímača. Zároveň nie všetky snímače ponúkajú požadovanú presnosť v dolných rozsahoch, preto snímače vyberajte naozaj starostlivo.
Pri kontaktnej technológii sa rozhodnite pre rýchlu reakciu
Aj keď kontaktné snímače vodivosti nie sú vhodné na meranie vysokej vodivosti žieravín používaných v procesoch CIP, poskytujú extrémne rýchlu reakciu na oplachovú vodu. Reakčný čas týchto snímačov je oveľa rýchlejší, pretože teplotný prvok je bližšie k procesu a meranie vodivosti závisí od teploty tohto procesu. Okrem toho sú kontaktné snímače extrémne presné pri nižšej vodivosti čistej vody až do 0,01 µS/cm.
Pridanie kontaktného snímača vodivosti môže preto zabezpečiť najrýchlejšiu reakciu na zmenu vodivosti medzi čistým a oplachovacím cyklom, čím sa zvyšuje výkon systému. Rýchla reakcia šetrí oplachovú vodu, ktorá sa skladá z vysoko čistej vody. Jej výroba je veľmi drahá, takže jej šetrenie šetrí peniaze a je lepšie pre životné prostredie.
Použiteľnosť ovplyvňuje ekonomiku
Meranie vodivosti je takou integrálnou súčasťou procesu CIP, že je ľahké ho prehliadnuť. Zároveň je také dôležité, že ak pri ňom dôjde k chybe, môže to mať nepriaznivé účinky na proces ako taký, ako aj na ekonomiku podniku. Zatiaľ čo pre praktických a skúsených prevádzkových pracovníkov by sa meranie vodivosti nemuselo javiť ako problém, pre nových pracovníkov to neplatí. S každým odchádzajúcim inžinierom a technikom odchádza z podniku aj veľa vedomostí.
Z toho dôvodu je dôležité vyberať také analytické systémy, ktoré pomáhajú znižovať ľudské chyby a nechajú technológiu pracovať. Zvoľte si také analyzátory, ktoré poskytujú jednoduché a rýchle nastavenie a jednoduchú obsluhu. Jasné poskytnutie meraných hodnôt v reálnom čase šetrí čas a nevyžaduje žiadne školenie. Niektoré analyzátory umožňujú prispôsobenie odčítania, aby sa predišlo vytrieďovaniu nepotrebných informácií. Najdôležitejšie je intuitívne rozhranie, ktoré prevádzkovým pracovníkom poskytuje pomocné obrazovky na navigáciu medzi procesmi priamo v zariadení bez potreby manuálov alebo online pokynov. Väčšina analyzátorov na trhu dokáže akceptovať aspoň dva snímače, čím sa znížia aj náklady na zariadenie.
Zhrnutie: ekonomika je ekonomika
Meranie vodivosti je základom analýzy všetkých kvapalín. V priebehu rokov došlo k postupným zmenám v technológii, ale základy sa nemenia. Prijímanie inteligentných rozhodnutí a postupov, ako je napríklad výber podľa rozsahu merania a jednoduchosti použitia, môže znamenať zásadný rozdiel pre bezproblémové a presné procesy CIP, ktoré sú rýchle a bezpečné.
Zdroj: Make Your Clean-in-Place (CIP) Operations Faster, Safer and More Cost Effective. Optimize CIP with Best Practices in Conductivity Measurement. White Paper. Emerson Automation Solutions. [online]. Publikované jún 2019. Citované 11. 10. 2019. Dostupné na: https://go.emersonautomation.com/rmt-en-q-water-treatment-cip-white-paper.
Obr. 1 Optimalizovaný CIP vyžaduje efektívne, presné a jednoduché meranie vodivosti.
Obr. 2 Proces CIP
Obr. 3 Toroidné snímače vodivosti sú účinné v roztokoch s vysokou vodivosťou, ktoré sú korozívne alebo obsahujú nerozpustné pevné látky.
Obr. 4 Toroidný snímač vodivosti Rosemount™ 225 PUR-Sense od spoločnosti Emerson
Obr. 5 Presná analýza v širokom rozsahu vodivosti je nevyhnutná.
Obr. 6
Obr. 7 Vytvorený na jednoduché použitie – dvojkanálový vysielač Rosemount 56 od spoločnosti Emerson