Der Schlüssel liegt in der Komponentenauswahl

Der Autor: Klaus Renzelmann Product Manager Hygienic Pumps, Pumpenfabrik Wangen

Ziel einer effizienten Produktion muss es sein, bei optimaler Produktqualität die Reinigungszeiten zu minimieren und die Zeiten zwischen den Reinigungszyklen zu maximieren. Nur so lassen sich die Produktionskosten niedrig halten, denn während einer Reinigung wird mit der Anlage kein Geld verdient. So kann relativ teures Equipment am Ende Geld sparen. Außerdem gilt: Bei der Auswahl einer Anlagenkomponente muss häufig ein Kompromiss zwischen den optimalen Prozesseigenschaften (Energieverbrauch, Verschleiß, Produktschonung …) und den Hygieneeigenschaften gefunden werden.

Bei der Auswahl der Komponenten muss man sich im Vorfeld über die Hygieneanforderungen in der Anlage im Klaren sein. Kann man die Anlage CIP(Cleaning In Place)-reinigen und SIP(Sterilisation In Place)-sterilisieren oder ist man auf eine Handreinigung angewiesen, weil sich Teile des Produktes nicht aus dem Produktraum spülen lassen. Dann kommt man um das Öffnen des Produktraumes nicht herum. In diesem Fall tritt die leichte Zerlegbarkeit stark in den Vordergrund der Überlegungen. Aus hygienischer Sicht ist CIP der Handreinigung immer vorzuziehen, um den „Unsicherheitsfaktor Mensch“ auszuschließen. Aber auch CIP-gereinigte Komponenten müssen leicht zerlegbar sein, da man das Ergebnis der CIP-Reinigung überprüfen und dokumentieren muss.

Die produktberührten Teile dürfen keine für den Menschen schädlichen Bestandteile enthalten. Für Elastomere und Kunststoffe ist das zum Beispiel durch die FDA-Konformität und die EC 1935/2004 geregelt, für Metalle gibt es Unbedenklichkeitslisten. Hier kann man sich an entsprechenden Zertifikaten der EHEDG (European Hygienic Engineering and Design Group) und 3A orientieren. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Anforderungen, die für die Erlangung dieser Zertifikate erfüllt sein müssen, auch für die Anlage ausreichen. Dies gilt besonders für die Verarbeitung anspruchsvoller Produkte, die klebrig oder faserig sind bzw. Körner enthalten.

Ein besonderes Augenmerk sollte man hier der Dichtungstechnik schenken. Wo Produkträume abgedichtet werden, kommen verschiedene Materialien wie Edelstahl, Keramik, Kohle und Elastomere zum Einsatz. Hier entstehen die am schwersten zu reinigenden Stellen im System. Prinzipiell unterscheidet man zwischen statischen und dynamischen Dichtungen.

Statische Dichtungen dichten in der Regel so ab, dass weder Produkt aus dem Produktraum nach außen noch Stoffe aus der Umgebung ins Produkt gelangen können. Sie müssen dazu verschiedene Kriterien erfüllen:

Dynamische Dichtungen dichten zwei Bauteile ab, die sich zueinander bewegen. In der Regel sind das Kolben bei oszillierenden Systemen oder Wellen bei rotierenden Systemen (zum Beispiel Kreiselpumpen, Drehkolbenpumpen und Rührwerke).

Als hygienische Wellenabdichtungen werden fast ausschließlich Gleitringdichtungen und Radialwellendichtringe genutzt. Letztere kommen wegen ihrer geringen Drucksteifigkeit und der begrenzten Umfangsgeschwindigkeit, mit der sie gefahren werden können, nur in Randbereichen der Lebensmittelindustrie zum Einsatz. Mit dem Aufbau und dem Design von hygienischen Gleitringdichtungen beschäftigen sich verschiedene Dichtungshersteller wie auch unabhängige Gruppen, zum Beispiel die Dichtungsgruppe der EHEDG.

Werfen wir einen Blick auf den Einbauraum und die Umgebung der Gleitringdichtung bei rotierenden Verdrängerpumpen. Anders als bei Kreiselpumpen, bei denen die Druckerhöhung durch die Erhöhung der kinetischen Energie des Mediums in der Pumpe erfolgt, sind die Verdrängerpumpen auf möglichst dichte Förderkammern angewiesen, da hier volumetrisch gefördert wird. Jede Undichtigkeit zwischen Druck- und Saugseite sorgt für Rückströmung und damit für eine Verschlechterung des Wirkungsgrades.

Bei den rotierenden Verdrängerpumpen kann man zwischen axial und radial fördernden Pumpen unterscheiden. Während bei den axial fördernden Pumpen die Gleitringdichtung vor oder hinter dem Förderorgan liegt, ist sie bei den radial fördernden Pumpen in der Mitte des Verdrängers angeordnet. Hierdurch sieht die Gleitringdichtung auf der einen Seite einen niedrigeren und auf der anderen Seite einen höheren Druck. Die Umgebung einer Gleitringdichtung in einer radial fördernden Verdrängerpumpe muss so gestaltet werden, dass der Saugraum so gut wie möglich gegen den Druckraum abgedichtet wird, oder man muss mit erheblichen Rückströmungen leben. Diese Rückströmungen sind abhängig von der Viskosität des Fördergutes und von der Druckdifferenz und wirken sich direkt auf den Wirkungsgrad der Pumpe aus. Auf der anderen Seite benötigt die Gleitringdichtung – zumindest bei einfach wirkenden Dichtungen – immer neues Produkt, um gekühlt und geschmiert zu werden. Auch für die Reinigung des Dichtungsbereiches sind an dieser Stelle hohe Strömungsgeschwindigkeiten von Vorteil. Dies wird oft erreicht, indem man die Pumpe während der CIP-Reinigung gegen einen erhöhten Widerstand fördern lässt, was bei leicht zu reinigenden Medien wie Hefe oder Joghurt gute Ergebnisse bringt, jedoch bei schwierigeren Medien wie Schmelzkäse oder Frucht mit Saatkörnern zu Problemen führt. Hier bleibt dann oft nur die Handreinigung. Da bei diesen Pumpen für die Inspektion oder die Handreinigung auch der Verdränger demontiert werden muss, kann die Gleitringdichtung nach der erneuten Montage eine höhere Undichtigkeit aufweisen. Der Grund dafür liegt im Einlaufen der Gleitringdichtung. Auf den Dichtflächen bilden sich dabei kleine Riefen, die ein Labyrinth bilden und zu einer erhöhten Dichtigkeit führen. Wird die Gleitringdichtung geöffnet und wieder montiert, werden diese Riefen nie wieder in der gleichen Position zusammengesetzt. Der Labyrintheffekt geht verloren.

Diese Probleme sind bei axial fördernden Verdrängerpumpen unbekannt. Moderne Stutzenanordnungen setzen den Ein- oder Auslassstutzen direkt über die Gleitringdichtung, um eine möglichst gute Umströmung zu ermöglichen. Bei der Demontage zur Handreinigung oder Inspektion müssen die Verdränger nicht demontiert werden. Das heißt, die Zuordnung der Laufflächen der Gleitringdichtung bleibt auch erhalten.

prozesstechnik-online.de/cav0713439