Zuverlässige Problemlöser

Andreas Rubin

Aufgabe der Division Exklusivsynthese & Biotechnologie ist zum einen die Herstellung von maßgeschneiderten Feinchemikalien für spezielle Kundenbedürfnisse und zum anderen die Entwicklung industrieller Produktionsverfahren für neue, von Kunden im Labor entwickelte Substanzen. Durch das kombinierte Know-how in den Bereichen Biotechnologie und klassische Chemie und die vorhandenen Mehrprodukteanlagen ist Lonza in der Lage, mehrere alternative Herstellverfahren anzubieten.

Zu den Mehrprodukteanlagen der Forschung und Entwicklung im Werk Visp, Wallis, gehören ca. 40 Rührwerke unterschiedlichster Größe. Die vielseitigen Einsatzbedingungen dieser Rührwerke umfassen Temperaturen von -90 bis +200 °C, Druckbereiche von Vakuum bis 12 bar und Medien unterschiedlichster Aggressivität, Viskosität und Feststoffgehalte und stellen somit große Anforderungen an die Abdichtsysteme. Erschwerend kommt hinzu, dass vor allem bei Produkten des Lebensmittel- und Pharmabereiches die Vorgaben einer GMP-gerechten Produktion eingehalten werden müssen.

Bisher wurden die Rührwerke mit flüssigkeitsgeschmierten, in der Regel sperrdrucküberlagerten Gleitringdichtungen abgedichtet. Die Nachteile dieser Systeme für den Einsatz in den Entwicklungsanlagen liegen auf der Hand:

• das Sperrmedium muss zum Produkt kompatibel sein

• der nutzbare Temperaturbereich wird durch das Sperrmedium eingeschränkt

• das Produkt kann durch Sperrmedium und Abrieb der Gleitpartner verunreinigt werden, was aufwändige Nachreinigung nach sich ziehen kann

Als Alternative käme der Einsatz von dichtungslosen Systemen wie Magnetkupplungen in Frage. Lonza hat sich in erster Linie aus finanziellen Überlegungen gegen den Einsatz von magnetgekuppelten Rührwerken entschieden. Neben den höheren Anschaffungs- und Energiekosten solcher Systeme, schlagen vor allem die Reparatur- und Wartungskosten zu Buche. Die Aufwendungen hierfür summieren sich aus den Kosten für Ersatzteile und Wartungsarbeiten, den Lagerkosten und den Kosten für den Produktionsausfall. Aufgrund höherer Preise und längerer Lieferzeiten für Komponenten sowie aufwändigerer Montagearbeiten liegen die Gesamtkosten deutlich höher als bei Gleitringdichtungen.

Konstruktionsbedingt eignen sich dichtungsfreie Rührwerke in erster Linie für klar definierte, konstante Betriebsbedingungen und saubere Flüssigkeiten mit geringer Viskosität. Diese Bedingungen sind aber in den Lonza-Mehrprodukteanlagen nicht gegeben, so dass mit häufigen, kostenintensiven Rührwerksausfällen zu rechnen ist. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass es für Lonza um die Umrüstung bereits vorhandener Rührwerke geht. Der Einsatz von magnetgekuppelten Systemen würde nicht nur den Austausch der Dichtungskomponenten, sondern auch der gesamten Antriebstechnik erfordern, was zu extrem hohen Investitionskosten führen würde. Auch im Hinblick auf eine GMP-gerechte Produktion sind magnetgekuppelte Systeme nicht unbedingt besser geeignet. So kann beispielsweise die erforderliche Lagerung der Rührorgane im Produktraum eine maßgebliche Quelle für Verunreinigungen sein.

Als Dichtungslösung für die Realisierung einer GMP-gerechten Produktion vielfältigster Produkte mit geringen Investitions- und Betriebskosten kristallisiert sich immer mehr die gasgeschmierte Gleitringdichtung heraus. Anstelle einer Flüssigkeit, wie bei konventionellen Dichtungen, wird hier ein Gas als Sperrmedium für eine doppelt wirkende Gleitringdichtung verwendet. Nur wenige Mikrometer tiefe Spiralnuten auf den Gleitflächen dieser Dichtungen bewirken bei Rotation den Aufbau eines hydrodynamischen und hydrostatischen Gasdruckpolsters, was zur Trennung der Gleitflächen und schließlich zum berührungsfreien Lauf der Dichtung führt. Diese Technologie, die ursprünglich zur Abdichtung hoch drehender Kompressoren entwickelt wurde, konnte in der letzten Dekade erfolgreich auf Flüssigkeitspumpen und seit wenigen Jahren auch auf langsam drehende Rührwerke übertragen werden.

Die theoretischen Vorteile gasgeschmierter Dichtungen liegen auf der Hand: Berührungsfreier Lauf, kein Abrieb von Dichtungsteilen, kein Reibwärmeeintrag ins Produkt (polymerisiernde Medien), geringer Energieverlust und sicherer Betrieb auch bei Ausfall des Sperrdrucks. Durch den Einsatz von reinem Stickstoff ergeben sich keine Produktverunreinigungen und ein Sterilbetrieb ist durch Verwendung von sterilem Stickstoff möglich.

Eine bei Lonza bereits vorhandene und von einem Prozessleitsystem überwachte, zentrale Stickstoffversorgung machte eine zusätzliche Kontrolle des Sperrmediums überflüssig, wodurch weitere Kosten gespart wurden.

Zwischen Theorie und Praxis klafft oft eine große Lücke, so dass die Betriebsingenieure bei Lonza zu Beginn der neuen Technologie durchaus skeptisch gegenüberstanden. Im Jahr 1998 kam versuchsweise eine erste Testdichtung CK 738 von John Crane (Abb. 1) bei einem Rührwerk zum Einsatz, dessen Produkt Reinheitsprobleme aufgrund des Sperröls der konventionellen Abdichtung aufwies. Bei diesem Dichtungstyp handelte es sich um eine entlastete, sperrdrucküberlagerte Doppeldichtung nach DIN 28138 Teil 2 und 3 sowie DIN 28159 für Stahl-Email-Behälter. Als erstes positives Erlebnis verzeichnete das Anlagenpersonal die einfache Montage, Kontrolle und Bedienung der Gasdichtung. Nach einem Jahr störungsfreien Betriebes wurde die Dichtung zu Prüfzwecken ausgebaut. Es konnten keine sichtbaren Verschleißspuren an den Dichtflächen festgestellt werden. Nach zwei Jahren lag der Sperrgasverbrauch immer noch unterhalb der Nachweisgrenze und die Dichtung ist bis heute in Betrieb. Die eigentlich vorgesehenen Inspektionstermine werden immer wieder verschoben, da die Dichtung keinerlei Ausfallerscheinungen zeigt.

Diese sehr positiven Erfahrungen haben Lonza dazu veranlasst, bei allen relevanten Rührwerken im Bereich Forschung und Entwicklung die flüssigkeitsgeschmierten Dichtungen sukzessive gegen Gasdichtungen auszutauschen. Die generellen Vorteile von Gasdichtungen wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller John Crane auf die speziellen Bedürfnisse der Lonza optimiert. Durch den Einsatz modernster abriebfester Spezialkohlen und flexibler Nebendichtelemente auf PTFE-Basis konnte eine problemlose Zertifizierung der Herstellprozesse durch die FDA erreicht werden.

Derzeit sind bei der Division Exklusivsynthese & Biotechnologie Gasdichtungen in drei Filternutschen und zehn Rührwerken im Einsatz, darunter auch Hydrierrührwerke (300 /min, 11 bar Druck), Rührwerke für Chlorverbindungen wie Methylenchlorid und solche für Tieftemperatureinsätze. Gerade letztere sind für Lonza von zunehmender Bedeutung, da sich Tieftemperaturprozesse als erfolgreiche Methode zur effizienten Kontrolle stark exothermer Reaktionen erwiesen haben. Die Rührwerke werden in diesem Fall von -90 bis +200 °C eingesetzt, ein Temperaturbereich, in dem sich die gasgeschmierten Gleitringdichtungen von John Crane aufgrund des Einsatzes der PTFE-Nebendichtelemente und spezieller Lagerheizungen als sehr leistungsfähig erwiesen haben.

Im Tieftemperaturbereich kommt vor allem die speziell für Sterilanwendungen entwickelte Dichtung 5280G zum Einsatz. Dabei handelt es sich um eine entlastete, sperrdrucküberlagerte Doppeldichtung, deren produktseitiger Gleit- und Gegenring weit in den Behälter ragen und die nach den Regeln einer hygienegerechten Konstruktion spaltarm in inerten Materialien ausgeführt sind (Abb. 2). Die Dichtung ist dadurch sowohl CIP- als auch SIP-geeignet. Weiterhin kann sie durch einfachen Austausch des produktberührten Flansches gegen Sondermaterialien wie Hastelloy auch bei hoch aggressiven Medien eingesetzt werden (Abb. 3).

Die Dichtungen der CK-Baureihe sind so konstruiert, dass bei Stahl- und Emailbehältern nach DIN trotz unterschiedlicher Wellen- und Flanschgeometrie die gleichen Verschleißteile verwendet werden. Somit muss unabhängig von der Ausführung des Rührwerkes nur ein Ersatzteilsatz je Wellendurchmesser auf Lager gehalten werden. Da die dynamische Funktion der Ersatzteilsätze vom Hersteller vor Auslieferung geprüft wird, können sie vor Ort vom speziell geschulten Montagepersonal eingebaut werden. Somit wird auch ohne Vorhaltung einer kompletten Ersatzdichtung eine kurze Ausfallzeit des Rührwerkes gewährleistet.

Aufgrund der guten Erfahrungen beabsichtigen die Lonza Werke zukünftig den Einsatz dieser Dichtsysteme auch auf die reinen Produktionsanlagen und auf Problemfälle auszuweiten.

Die Lonza Group ist ein in den Life Sciences tätiges Chemieunternehmen mit Sitz in der Schweiz, das im Jahr 2001 einen Umsatz von CHF 1,86 Mrd. erzielt hat. Das Unternehmen verfügt über 12 Produktions- und F&E-Standorte in sechs Ländern und beschäftigt weltweit 4900 Mitarbeiter. Die Walliser Werke der Lonza Group sind in den Schweizer Gemeinden Visp, Lalden und Brig/Gamsen beheimatet. Sie sind mit rund 2600 Mitarbeitern der wichtigste Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandort der Lonza Group. Der Geschäftssektor Organische Feinchemikalien verfügt über eine breite Palette von organischen Zwischenprodukten in den Stammbäumen Diketen-, Pyridin- und Blausäure-Chemie. Die Division Exklusivsynthese & Biotechnologie bietet auf Kundenanforderungen abgestimmte Entwicklungs- und Produktionsdienstleistungen für die Life-Science-Industrie an. Die Herstellung der Wirkstoffe erfolgt mit chemischen und biotechnischen Methoden in Mehrprodukteanlagen und ist GMP-konform.