ARMATUREN & LEITUNGEN

 Mit weniger Dampf zur Sterilisationstemperatur 

Membranventile mit leichtem Rohrumformgehäuse 

In der Pharma-, Food- und Lebensmittelbranche sind Nachhaltigkeit, möglichst geringe Betriebskosten und hohe Anlagenverfügbarkeit zentrale Themen. Alle in den Anlagen verbauten und an den Prozessen beteiligten Komponenten müssen dazu beitragen. Das gilt auch für die unzähligen Membranventile, die vor allem in sterilen und pharmazeutischen Anwendungen im Einsatz sind und strenge Hygieneanforderungen und -normen erfüllen müssen. 

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Das Rohrumformgehäuse hilft bei der Gestaltung leichterer Anlagen und nachhaltigerer Prozesse in der Pharma-, Food- und Kosmetikindustrie. (Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Bürkert GmbH & Co. KG

Die meist üblichen Membranventile mit herkömmlichen Schmiede- oder Gussgehäusen verbrauchen aber nicht nur bei der Herstellung relativ viel Energie, sondern auch im Betrieb. So werden bei SIP-Prozessen große Mengen teuren Reinstdampfes benötigt, um diese herkömmlichen Ventilkörper auf Sterilisationstemperatur zu bringen. Wodurch weniger Zeit für die Produktion zur Verfügung steht, da sich die Gehäuse nur langsam erhitzen und abkühlen. Deutlich leichtere Rohrumformgehäuse (Tube Valve Body) sind hier eine praxis- und umweltgerechte Alternative.

Die Fluidikexperten von Bürkert Fluid Control Systems beschäftigen sich schon seit vielen Jahren intensiv mit der Optimierung der Gehäusetechnik für Membranventile. Nun ist der patentierte Tube Valve Body bereits in der dritten Generation auf dem Markt und dank der Anwendungserfahrung der Fluidikexperten genau an seinen Einsatzbereich in Pharma-, Food- und Kosmetikindustrie angepasst. Ohne Schweißnähte im Membran-Medienbereich und mit hoher Oberflächenqualität sind die Membranventile vom Typ 2103 mit ELEMENT-Aktor und Steuer- beziehungsweise Rückmeldekopf mittlerweile technisch den herkömmlichen Schmiedegehäusen mehr als ebenbürtig. Sie erfüllen die anspruchsvollen Regularien der Branche und können vor allem wesentlich dazu beitragen, die Betriebskosten zu senken, die verfügbare Produktionszeit zu erhöhen und den CO2-Fußabdruck zu verbessern. Letzteres hat eine von Trusted Footprint nach internationalen Standards durchgeführte CO2-Bilanzierung bewiesen, die sowohl das Verhalten im SIP-Prozess als auch die ökologischen Auswirkungen im Produktions- und Herstellungsprozess berücksichtigt.

Bis zu 67 Prozent reduzierter CO2-Fußabdruck aufgrund von eingespartem Rohmaterial bei Tube Valve Body. 
(Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Treibhausgas-Bilanz im direkten Vergleich

Im ersten Schritt der CO2-Bilanzierung wurde der Herstellungsprozess eines 1,5-Zoll-Ventils im Rohrumformgehäuse mit dem eines 1,5-Zoll-Ventils mit Schmiedeventilkörper miteinander über die gesamte Wertschöpfungskette verglichen, angefangen von der Beschaffung der Rohmaterialien, über die Verarbeitung bis hin zur Anlieferung ins Lager des Herstellers. Die Erfassung und Berechnung der verursachten Treibhausgasemissionen – also Kohlenstoffdioxid, Methan, Distickstoffmonoxid und Flourkohlenwasserstoffe – wurde in Anlehnung an die international anerkannten Standards der ISO 14067-1 und des Treibhausgasprotokolls (GHC) durchgeführt und als C02-Äquivalente dokumentiert. 

Das Ergebnis ist beachtlich: Während der Produktion werden bei den Rohrventilkörpern rund 50 Prozent weniger CO2-Äquivalente freigesetzt. Gleiches gilt auch für den Transport. Ursache für beides ist hauptsächlich das geringere Gewicht. Der Rohrventilköper, der untersucht wurde, wiegt lediglich 0,807 Kilogramm und ist damit fast 80 Prozent leichter als der 3.607 Kilogramm schwere Schmiedeventilkörper. Das deutlich geringere Gewicht macht sich dann auch im Betrieb positiv bemerkbar. Die Rohrumformgehäuse haben eine erheblich geringere thermische Masse als Schmiede- und Gussvarianten, ein Vorteil, der umso deutlicher wird, je größer die Nennweite ist. Bei einem 2-Zoll-Ventil beispielsweise kann die Gewichtsreduktion bis zu 75 Prozent betragen. Die Gehäuse heizen sich dadurch schneller auf und kühlen auch schneller wieder ab, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Bei einer Temperaturdifferenz von 100K pro SIP-Zyklus können sich Einsparungen von über 50 Prozent ergeben. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der SIP-Prozesse pro Jahr, ergeben sich je nach Anlage beachtliche Kosteneinsparungen. Die Produktion wird nachhaltiger; der CO2-Fußabdruck des Herstellungsprozesses reduziert sich. Geht man von einer typischen Applikation mit 100 Ventilen aus, spart das 875 Kilogramm CO2 pro Jahr, das ist immerhin so viel wie 70 Bäume aufnehmen können (bei 12,5 Kilogramm CO2 pro Baum).

Tube Valve Body - ein Stück Rohr wird zum Gehäuse. 
(Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Ein Stück Rohr als Gehäuse

Die Grundlage dafür liefert ein spezielles Fertigungsverfahren: Die Membranventilgehäuse werden im Rohrumformverfahren, auch bekannt unter dem Begriff Hydroforming, hergestellt. Das heißt, ein metallisches Rohr wird in einem geschlossenen Werkzeug mit Innendruck in mehreren Schritten inklusive Wärmebehandlung zum Ventilgehäuse geformt. Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand. So können beispielsweise für die Hydroform-Gehäuse der Ventile die gleichen Rohrmaterialien verwendet werden, die in der Anlage eingesetzt und dafür zugelassen sind. Außerdem sind Montage oder Schweißoperationen wie bei einer Halbschalenbauweise nicht mehr notwendig und die Gehäuse wiegen kaum mehr als ein Stück Rohr gleicher Länge.

Auch die große Präzision und Wiederholgenauigkeit bei der Fertigung sprechen für das Verfahren. Die daraus resultierende hohe Produktqualität ist ein entscheidendes Kriterium; schließlich ist die zuverlässige Funktion der Membranventile im späteren Betrieb ausschlaggebend für die Prozesssicherheit in der Anwendung. Dazu gehört auch die durchgängige Dokumentation während des Fertigungsprozesses und die Zertifizierung für den jeweiligen Einsatzbereich.

Die Rohrumformgehäuse haben eine erheblich geringere thermische Masse als Schmiede- und Gussvarianten, ein Vorteil, der umso deutlicher wird, je größer die Nennweite ist. (Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Robustes Leichtgewicht

Das Hydroform-Gehäuse ist zudem ausgesprochen robust. Sein Design entspricht den Anforderungen der ASME-BPE 2014 und hält schnellen Temperaturwechseln zwischen heißem Dampf und kaltem Wasser sowie langzeitigen Vibrationen stand. Zudem berührt das Medium nur die Membrane und den pharmatauglichen Rohrabschnitt, aus dem das Gehäuse geformt wird. Dieser ist identisch mit den anderen in den Anlagen eingesetzten Rohrelementen und erfüllt die jeweiligen geltenden Normen. Im Gegensatz zu Gussgehäusen entstehen zudem bei der Fertigung keine Lunker oder andere Unreinheiten, die immer ein Kontaminationsrisiko oder Fertigungsausschuss bedeuten. Hinzu kommt noch eine weitere positive Eigenschaft: Bei der Montage im Rohrsystem wird die hygienischste aller Verbindungen möglich, nämlich eine direkte Rohr-zu-Rohr-Verschweißung. Hier kann sich nichts festsetzen und die Reinigung ist genauso einfach wie die des Gesamtrohrsystems.

Das innovative Rohrumformgehäuse in Kombination mit unterschiedlichen Antrieben und Membranen. 
(Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Schnellere Reinigung und weniger Stress für die Membranen

Gleichzeitig steigt die Produktivität der Anlage, da sich durch den schnellen Aufheiz- und Abkühlprozess die Nebenzeiten für die Reinigung verkürzen. Je öfter gereinigt werden muss, desto mehr profitiert der Anwender davon. Das geringere Gewicht der Membranventile hat aber noch einen weiteren Effekt: Da die Ventile durch die vergleichsweise geringe thermische Masse sich bei den SIP-Prozessen schneller aufheizen und abkühlen, reduziert sich auch der thermische Stress für die temperaturempfindlichen Membranen. Sie halten deutlich länger als das bei anderen Gehäuseausführungen üblich ist. Je nach Anwendung kann ihre Lebensdauer dadurch mehr als verdoppelt werden, was die notwendigen Servicezyklen deutlich verlängert und ebenfalls zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Schlussendlich haben die Membranventile im Rohrumformgehäuse auch für die Anlagenbauer einen nicht zu unterschätzenden Nutzen. Anders als bei Schmiede- oder Gussgehäusen müssen sie in den meisten Fällen keine zusätzlichen Abstützungen für die Ventile vorsehen, was Konstruktion und Montage deutlich erleichtern kann, Arbeit spart und damit ebenfalls die Kosten senkt.

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Autor



Michael Wiedmann
Produktmanager Membranventile

Bürkert Fluid Control Systems

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