Werkstoffe für jeden Einsatzbereich

Dr. Burkhard Ledig

Immer schwieriger gestaltet sich für die Hersteller und Betreiber von Produktionsanlagen in der Chemie- und Pharmatechnik die Frage, welcher Werkstoff für den jeweiligen Einsatzbereich am besten geeignet ist. Die umfangreichen gesetzlichen Bestimmungen, die hohen Anforderungen an die Standzeiten der Anlagen, und damit auch der eingesetzten Dichtungen, sowie die aggressiven Reinigungs- und Sterilisationsprozesse erfordern leistungsfähige Werkstoffe. Für einen Einsatz von Dichtungselementen in der Pharmaindustrie sind höchste Hygienestandards Voraussetzung. Hinzu kommen hohe Sicherheitsstandards in der Chemischen Industrie und die Forderung nach Herstellergarantien für die Lebensdauer der gelieferten Maschinenteile.

Die Dichtungslösungen auf Basis des Perfluorelastomerwerkstoffes Kalrez verbinden die chemische Beständigkeit von PTFE und die gummielastischen Eigenschaften von Elastomeren. Sie eignen sich besonders für die Abdichtung aggressiver Medien bei hohen Temperaturen. Eine Vielzahl maßgeschneiderter Compounds ermöglicht die passende Dichtungslösung für jeden Einsatzbereich in der Pharma- oder Chemieindustrie und die Einhaltung der damit verbundenen Sicherheitsstandards. Kalrez-Formteile finden beispielsweise in Membranpumpen, Rührwerken, Filtern, Füllstandsmeßgeräten oder in medizintechnischen Geräten Verwendung.

Beim Einsatz von O-Ringen und Elastomerformteilen in der Steriltechnik können unter extremen Bedingungen, wie hohe Temperaturen, aggressive Medien oder CIP (Cleaning in Place)-Reinigung, Stoffe aus den Dichtelementen ausgewaschen werden, die nicht den gesetzlichen Bestimmungen der „White List“ der FDA (Food and Drug Administration) entsprechen. Die Dichtung muß daher zahlreichen Anforderungen entsprechen. Dazu zählt die CIP/SIP-Fähigkeit der Dichtungsoberfläche sowie eine chemische Stabilität gegen das Medium und die eingesetzten Desinfektionsmittel. Darüber hinaus ist ein totraumfreier Einbau der Dichtung gefordert. Stabililität gegen Abrasion durch Festkörper im Produkt ist ebenso zu berücksichtigen wie die toxikologische Unbedenklichkeit des verwendeten Werkstoffes entsprechend den Anforderungen des Bundesgesundheitsamtes und der FDA. Die Kalrez-Compounds KLR 6221 und KLR 6230 entsprechen der FDA-Richtlinie 21 CFR 177.2600. Zusätzlich wurden die Werkstoffe nach dem Protokoll der United States Pharmacopeia Class VI (USP Class VI) getestet. Dieses Protokoll schreibt eine Bioverträglichkeitsprüfung am lebenden Organismus vor. Die Compounds eignen sich speziell für WFI (Water for Injection)-Systeme sowie SIP (Sterilisation in Place)-Reinigungen und zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Heißwasserdampfbeständigkeit aus. Die Werkstoffe sind gegen alle in der Steriltechnik verwendeten Chemikalien sehr gut beständig und erreichen eine maximale Dauereinsatztemperatur von 260 °C.

In der Chemischen Industrie sind Hochleistungswerkstoffe gefordert, die dem Stand der Technik entsprechen und die Funktionssicherheit der Anlagen dauerhaft gewährleisten. Das Compound Kalrez Spectrum KLR 6375 ist wirtschaftlich einsetzbar, wenn dadurch im Abdichtungskonzept eine höhere Sicherheit erreicht wird, die verlängerte Lebensdauer der Dichtung zu längeren Anlagestandzeiten führt und vorhandene Anlagen und Aggregate durch den Einsatz von Kalrez Perfluorelastomerdichtungen universell einsetzbar werden.

Der Werkstoff wurde speziell für die Chemische Industrie entwickelt und zeichnet sich gegenüber anderen Kalrez Compounds durch eine verbesserte Chemikalienbeständigkeit aus. Darüber hinaus verfügt der Werkstoff über eine ausgezeichnete Heißwasserdampfbeständigkeit bei einer maximalen Dauereinsatztemperatur von 275 °C. Aufgrund seiner Härte von 75 Shore A ist Kalrez Spectrum KLR 6375 besonders für den Einsatz in Pumpen und Gleitringdichtungen geeignet.

Die peroxidisch vernetzten Perfluorelastomere Zalak 215CG und Zalak 220SP schließen die vorhandene Werkstofflücke zwischen Fluorelastomeren (FKM) wie Viton und Perfluorelastomeren (FFKM) wie Kalrez. Die Perfluorelastomere können im Dauerbetrieb von -20 bis +220 °C eingesetzt werden und finden immer dort Verwendung, wo der Einsatz von Fluorelastomeren nicht mehr ausreicht, die speziellen Eigenschaften von Kalrez jedoch noch nicht benötigt werden. Dichtungen aus den Perfluorkautschuken Zalak 215CG und 220SP finden vor allem in der Chemischen Industrie, in der Analytik, in der Oberflächentechnik, in Pumpen und der Verfahrenstechnik Verwendung. Beide Werkstoffe sind standardmäßig als O-Ringe und Halbzeuge (Platten und Folien) ausgeführt.

Kalrez-Formteile ersetzen beispielsweise in Pumpen FKM-Dichtungen, die häufig den speziellen Anforderungen der FDA-Richtlinien sowie der geforderten Chemikalien- und Dampfbeständigkeit nicht entsprechen. Eine generelle Schwäche von FKM-Werkstofffen zeigt sich insbesondere bei der CIP-Reinigung mit Kali- und Natronlauge. Die Kalrez Gleitringdichtung wird mit allen Zertifizierungsunterlagen für den Werkstoff geliefert. Der Anwender kann damit die Unbedenklichkeit der verwendeten Dichtungswerkstoffe in seinen Geräten garantieren, was im Hinblick auf FDA-Audits von besonderer Bedeutung ist.

Bei der Entwicklung individueller Sonderlösungen spielt die Computersimulation eine zunehmend wichtige Rolle. Mit der Finite Elemente Methode (FEM) läßt sich das Verformungs- und Dichtverhalten unter Betriebsbedingungen wie Druck und Temperatur ohne aufwendige Versuchsreihen simulieren und analysieren. Optimal gestaltete Dichtungslösungen werden dann praxisbezogen auf Prüfständen getestet. Das führt zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis. So wurden beispielsweise Membranen für den Einsatz in Laborpumpen entwickelt, die mit einer Vielzahl aggressiver Medien in Berührung kommen. Hier kann es bei den herkömmlich verwendeten Werkstoffen wie FKM oder EPDM zu starken Quellungen der Membranen kommen. Eine Membran auf Basis des Perfluorelastomers Kalrez besitzt eine wesentlich höhere Lebensdauer unabhängig vom Einsatzbereich der Pumpen und den verwendeten Medien.

Insbesondere im sensiblen und beratungsintensiven Bereich der Dichtungstechnik sind neben hochleistungsfähigen Produkten und branchenspezifischen Werkstoffen auch umfassende Beratungsleistungen gefragt. Der Dichtungshersteller hat diese Forderungen erkannt und stellt sich durch eine segmentorientierte Ausrichtung aller Unternehmensbereiche auf die spezifischen Bedürfnisse der Anwender aus der Chemie- und Pharmatechnik ein. Zudem bietet er eine umfassende Palette praxiserprobter Dichtungen für die Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie an. Neben segmentspezifischen Problemlösungen unterstützt der Hersteller seine Kunden durch Werkstoffschulungen und spezifische Kundenseminare.

Weitere Informationen cav-201

EPDM

Ethylen-Propylen-Dien-Werkstoffe sind unpolare Standardwerkstoffe, die von -45 bis +150 °C eingesetzt werden können, wenn sie peroxidisch vernetzt sind. EPDM ist gegen alle polaren Medien wie Heißwasser/Dampf, Ketone, Alkohole, Säuren und Basen beständig In Mineralölen, Fetten und chlorierten Kohlenwasserstoffen darf er jedoch nicht verwendet werden. Einige EPDM-Werkstoffe entsprechen der FDA-Richtlinie 21 CFR 177.2600 und besitzen eine gute Beständigkeit gegen die bei CIP-Reinigungen verwendeten Medien.

VMQ und FVMQ

Silikone und Fluorsilikone weisen eine hervorragende Beständigkeit vor allem gegen tiefe und hohe Temperaturen auf. Sie können von -60 bis +200 °C eingesetzt werden und sind besonders in Fetten und Ölen beständig. Da diese Werkstoffe physiologisch unbedenklich sind, werden sie vor allem in der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie der Medizintechnik verwendet. Die Beständigkeit gegen Heißwasser bei Temperaturen über 90 °C sowie in stark polaren Lösemitteln ist jedoch sehr gering.

FKM

Fluorelastomere (z. B. Viton) zeigen eine gute allgemeine chemische Beständigkeit gegen eine Vielzahl von Chemikalien, weisen jedoch in alkalischen Medien wie der häufig verwendeten Natronlauge deutliche Schwächen auf. Zudem sind sie sehr schlecht beständig in Heißwasserdampf bei Temperaturen über 150 °C. Peroxidisch vernetzte und höher fluorierte Typen wie Viton GF können diese Schwäche zwar überwinden, sie entsprechen aber nicht den FDA-Richtlinien.

FFKM

Die Perfluorelastomere Kalrez KLR 6221 und Kalrez KLR 6230 sind gegen praktisch alle Chemikalien beständig und weisen eine ausgezeichnete Heißwasserdampfbeständigkeit bis 270 °C auf. Sie entsprechen beide der FDA Richtlinie 21 CFR 177.2600 sowie der United State Pharmacopeia USP Class VI.

PTFE

Der thermoplastische Werkstoff ohne Füllstoffe (z.B. Turcon Variseal T01), ist aus physiologischer Sicht der ideale Werkstoff für die Pharma- und Lebensmittelindustrie. Er ist toxikologisch unbedenklich, alterungsbeständig und aufgrund seiner glatten Oberfläche gut sterilisierbar. Aufgrund der hohen chemischen und thermischen Belastungsfähigkeit wird er dort eingesetzt, wo aggressive Reinigungschemikalien wie Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid verwendet werden und die Sterilisation der Anlagen hohe Temperaturen bedingt. Reines PTFE entspricht der FDA-Richtlinie 21 CFR 177.1550. PTFE-Werkstoffe finden ihren Einsatz vor allem als Formteile.