Die Unterdruckfestigkeit eines Lagertanks gegen elastisches oder plastisches Einbeulen und ebenso die Überdruckfestigkeit werden durch verschiedene Parameter bestimmt. Dazu gehören das Tankmaterial, meist Kunststoffe oder Edelstahl, die Wanddicke sowie die Höhe und der Durchmesser des Behälters. Für den Druckausgleich ist am Tank ein Belüftungsstutzen angebracht. In sensiblen Bereichen wie der Lebensmittelproduktion, der Pharmazie oder Kosmetik oder beim Einsatz von Reinstwasser muss die Be- und Entlüftung steril erfolgen, um jedwede, auch mikrobielle, Verunreinigung des Lagerguts zu vermeiden. Hierfür werden sterile Tankbelüftungsfilter eingesetzt.
Wirkungsweise der Filter
Beim Befüllen eines Lagertanks fördert die Zulaufpumpe ein definiertes Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit in den Behälter. Ohne eine Entlüftung an höchster Stelle im Behälter würde sich das darin enthaltene Gas oder Gas-Luft-Gemisch komprimieren und der Druck im Lagertank könnte sich im Extremfall bis zum irreversiblen Verformen oder gar Bersten des Tanks erhöhen. Diese Druckerhöhung lässt sich mithilfe der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase (p∙V = m∙R∙T) erklären. Bei vielen Prozessen und Anwendungen ist Luft in Lagertanks unerwünscht. Die Flüssigkeit wird mit einem Schutzgas überlagert. Hier gelten die beschriebenen Prozesse gleichermaßen. Der Einfachheit halber wird im Fortgang nur Luft betrachtet.
Beim Abpumpen des Produkts aus dem Lagertank wird Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit aus dem Behälter entnommen. Die im Tank enthaltene Luft würde ohne ein Nachströmen von Luft nach der allgemeinen Gasgleichung einen Unterdruck erzeugen. Im schlimmsten Fall würde sich der Tank dabei zusammenziehen und irreversibel verformen. Aufgabe des sterilen Tankbelüftungsfilters ist es somit, Luft ein- und ausströmen zu lassen, ohne dass sich durch den Druckwiderstand des Filters ein Unterdruck oder ein Überdruck im Behälter aufbaut und ohne dass dabei ein ungewünschter Austausch von Verunreinigungen, Keimen und Bakterien stattfindet.
Weil sich in einem Tank das Luftpolster aus physikalischen Gründen immer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bildet, sitzt die sterile Tankbelüftung oben am Lagertank oder zumindest oberhalb des maximal möglichen Füllstandes. Die sterile Tankbelüftung besitzt Anschlüsse für den Stutzen am Lagertank und zur Aufnahme des Filterelements. Das Filterelement wird mit einer Schutzglocke (Kerzenfiltergehäuse) oder einem Dom vor Verschmutzung von oben geschützt.
Problem Schwitzwasser
Häufig kommt die zu lagernde Flüssigkeit gekühlt aus dem Prozess und wird unmittelbar in die Lagertanks abgefüllt. Im Sommer sind Behälter und Umgebungsluft warm. Aufgrund des Temperaturunterschiedes kommt es zu einer Kondensation an der Außenseite der Behälterwand. Wassertröpfchen bilden sich an der Oberfläche des Behälters und auch an der Außenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters. Physikalisch Gleiches geschieht, wenn warme oder heiße Flüssigkeit in den Lagertank gepumpt wird. Hier bildet sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und der Umgebungsluft sowie dem Lagertank Kondensationswasser im Innern des Behälters und auf der Innenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters.
In beiden Fällen kann durch die Kondensationsflüssigkeit die Durchströmbarkeit des sterilen Tankbelüftungsfilters mit Luft stark beeinträchtigt werden. Dringt das Kondensat zudem in die Poren des Filterelements ein, dann kann keine Luft mehr durch den Filter strömen, denn seine Poren sind mit dem eingedrungenen Wasser verblockt. Damit würde das sterile Tankbelüftungsfilter in seiner Funktion wirkungslos. Ein Druckausgleich könnte nicht mehr stattfinden – mit möglicherweise fatalen Folgen.
Hydrophobe Membranmaterialien
Damit Kondensate die Durchströmung der sterilen Tankbelüftungsfilter nicht beeinträchtigen können, müssen die Belüftungsfilter mit hydrophoben Filtermaterialien ausgestattet werden. Hierfür eignen sich Membranen aus PTFE besonders gut. Aufgrund ihrer wasserabweisenden, aber dampfdurchlässigen Eigenschaften werden Garne aus PTFE-Fasern ja auch als Gewebe für Outdoorjacken und Zelte eingesetzt. Diese Materialeigenschaften nutzt man auch beim sterilen Tankbelüftungsfilter aus. Die Kondensattröpfchen bleiben an der Oberfläche der Membranen liegen und dringen nicht in die Poren der PTFE-Membrane ein. Vielmehr perlen sie ab und tropfen zurück in den Behälter oder werden über einen Kondensat-Ablassschlauch außen am Lagerbehälter abgeführt. Eine tropfende, sterile Tankbelüftung ist daher ein gutes Zeichen!
WTBE-Gehäuse von Wolftechnik aus Polypropylen (PP) oder Edelstahl dienen in Verbindung mit hydrophoben WFPTFE-Membranfilterkerzen zur staubfreien und sterilen Be- und Entlüftung von Lagertanks. Die zweiteilige Konstruktion besteht aus einer abschraubbaren Haube und dem Aufnahmeteil mit Tankstutzen-Anschluss als GF-Verschraubung DN40. Die Gehäuse sind in drei Größen zur Aufnahme einer WFPTFE-Membranfilterkerze mit Adapterkonfiguration Code 0 in der Länge von 5″,10″ oder 20″ verfügbar und eignen sich damit für Durchsatzleistungen von 5 bis 50 Nm³/h bei 10 bis 25 mbar Differenzdruck.
PTFE-Membranen mit einer Filterfeinheit ≤0,2 µm halten Bakterien und Keime sicher zurück. WFPTFE-Membranfilterkerzen mit hydrophober PTFE-Membrane sind in den Filterfeinheiten von 0,05 bis 1.0 μm erhältlich. Das Membranmaterial besitzt eine hochporöse Struktur und eine homogene Porenverteilung. Alle Komponenten der Stützkonstruktion, Adapter und Endkappen sind aus Polypropylen und werden mit der PTFE-Membrane im Reinraum ohne Verwendung von Additiven oder oberflächenaktiven Substanzen thermisch miteinander verbunden. Die Filterfläche beträgt 0,9 m²/10″ pro Element und liegt damit weit über dem Standard vergleichbarer Produkte. Dies sichert lange Lebensdauer (Lange Standzeit, hohe Schmutzaufnahmekapazität) und niedrige Differenzdrücke auch bei großen Durchsatzleistungen.
Auslegung der Gehäuse und Einsätze
Die Auslegung steriler Tankbelüftungsfilter basierend auf PTFE-Membranfilterkerzen mit einer Filterfeinheit von 0,2 µm und marktgängiger Gas-Durchströmungsleistung richtet sich nach dem maximal zulässigen Differenzdruck für den Lagertank. Diese liegen meist bei 10 oder 25 mbar. Bezogen auf etwa 1 m² PTFE-Membranfiltermaterial mit 0,2 µm Filterfeinheit kann mit einer Gasdurchströmung von etwa 10 Nm³/h bei 10 mbar beziehungsweise 25 Nm3/h bei 25 mbar gerechnet werden.
Suchwort: cav0618wolftechnik
Halle 5.0, Stand C75
Vorgänge, die beim Befüllen und Entleeren eines Lagertanks mit steriler Tankbelüftung zu beachten sindBild: Wolftechnik
Vorgänge, die beim Befüllen und Entleeren eines Lagertanks mit steriler Tankbelüftung zu beachten sindBild: Wolftechnik
Autor: Peter Krause
Geschäftsführer,
Wolftechnik
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