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Die intelligente Pumpe als integraler Regelbaustein im Prozess

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10.03.2008 Höchste Sicherheitsstufe ist im Bereich Pharma- und Bioindustrie das oberste Gebot. Pumpen spielen in der Produktion eine zentrale Rolle; sie müssen höchste Anforderungen hinsichtlich hygienischer Aspekte erfüllen. Darüber hinaus haben ihre Leistung und ihr Energieverbrauch großen Einfluss auf die Effizienz des Prozesses.

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Entscheider-Facts


  • Durch einen Frequenzumrichters zwischen Pumpe und Versorgungsnetz kann die Drehzahl und somit die Leistung der Pumpe stufenlos angepasst werden.
  • Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern sind Haltehöhe H und/oder Fördermenge Q einer Pumpe frei definierbar.
  • Der Kostenvorteil durch Einsatz kleinerer Pumpen überwiegt die Mehrkosten eines Frequenzumrichters.
  • Entwicklungen auf dem Sektor der Leistungselektronik ermöglichen die Integration der Frequenzumrichter in den Elektromotor.
  • Der Einsatz von Pumpen, die mit einem Datenbusanschluss ausgerüstet sind, ermöglicht anlagennahes Asset Management, Monitoring derProzessdaten, Anlagenoptimierung über die Leitwarte wie auch die ge-plante vorbeugende Wartung und Instandhaltung.
Die intelligente Pumpe als integraler Regelbaustein im Prozess

Die Integration von Frequenzumrichter, Datenbustechnologie, moderne Motortechnologie und optimierenden Regelkreisen in die Pumpe bringt dem Anwender und dem Betreiber gerade in der Pharma- und Bioindustrie viele Vorteile

Im Bereich der Pharma- und Bioindustrie sind Pumpen in ihrem Anforderungsprofil international unterschiedlichsten Gesetzen, Regelwerken und Richtlinien unterworfen. Hier gelten unter anderem die EU-Maschinenrichtlinien, einschlägige Normen wie die DIN EN 12462 Biotechnik, die GMP-Regeln, US-amerikanische Standards wie 3A sowie die Sicherstellung der FDA-Konformitäten (Food and Drug Administration) beim Einsatz der Materialien. Für das gesamte Herstellungsverfahren gilt es ein Höchstmaß an biologischer Sicherheit zu garantieren, dabei spielt die zertifizierte Reinigungsfähigkeit (CIP), die eine tot- und spaltraumfreie Konstruktion von Pumpen voraussetzt, eine bedeutende Rolle. Ebenso wichtige Parameter sind die gesicherte Sterilisation (SIP) oder Sanitisierung und der Nachweis über Verwendung und Herkunft der Werkstoffe (3.1-Zeugnis, FDA-Konformität). Die dokumentierte Oberflächenrauigkeit, der Ferritgehalt sowie umfangreiche Schweißdokumentationen gehören heutzutage zum Standardlieferumfang solcher Pumpen.

Entscheidend für sterile Prozesse:Design, Material und Oberfläche

Erfüllt werden diese Anforderungen mit ein- und mehrstufigen Pumpen in horizontaler oder selbstentleerender vertikaler Aufstellung, normal- und selbstansaugend im Qualified Hygienic Design. Um die Sicherheit in der sterilen Prozessführung zu garantieren, werden ausschließlich Low-Carbon-Werkstoffe der Materialqualität 316 L (1.4404 oder 1.4435) als porenfreier Walz- oder Schmiedestahl (kein Edelstahlfeinguss) eingesetzt. Je nach Anforderung werden die Pumpen in verschiedenen Sterilstandards mit Oberflächenrauigkeiten von Ra£0,8µm bis Ra£0,4 µm bei einem optionalen d-Ferritgehalt von £3%, bzw. £1% angeboten. Für spezielle Anforderungen in der Pharmaindustrie steht die ein- und mehrstufige Contra-Baureihe auch aus hochkorrosionsfestem Hastelloy C in Schmiedestahlqualität zur Verfügung. Mit der je nach Kundenanforderung mitgelieferten Dokumentation werden die Voraussetzung für die Qualifizierung der gelieferten Komponenten und die anschließende Validierung der Gesamtanlage erfüllt.

Bei der Pumpenauslegung gilt es die maximale Abnahmemenge plus Mindestströmung im Rücklauf zu berücksichtigen. Die daraus resultierende Fördermenge bildet die Grundlage für das Errechnen des Leistungsbedarfes der Pumpe. Über weite Strecken arbeitet die konventionelle Kreiselpumpe dabei überdimensioniert. Dies trifft speziell für die Fälle „Anforderung von Teilmengen“ oder „ausschließliche Umwälzung“, wie beispielsweise Wochenendbetrieb, zu. Durch diesen hydraulischen Teillastbetrieb wird ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Energie in Form von Wärme an das Produkt abgegeben. Teils wird diese Energieform über Kühler wieder entnommen – jedoch ist diese Lösung verfahrenstechnisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Eleganter ist die Möglichkeit, unnötigen Wärmeeintrag zu verhindern. Über Nutzung eines Frequenzumrichters zwischen Pumpe und Versorgungsnetz kann die Drehzahl und somit die Leistung der Pumpe stufenlos angepasst werden. Über druck- oder mengenabhängige Regelkreise wird jeder Bedarfsfall mit entsprechender Pumpenleistung versorgt. WFI-Loops mit wenig Bedarfsunterschieden können teils über Festfrequenzen – ohne Istwertaufnehmer – gelöst werden. Hierzu werden Drehzahlen empirisch ermittelt, im Speicher des Umrichters abgelegt und anschließend digital angewählt.

Frequenzumrichter optimieren die Pumpenleistung

Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern sind Haltehöhe H bzw. Fördermenge Q einer Pumpe frei definierbar. Durch Überfahren der netzüblichen Frequenz wird der Wirkungsgrad der Pumpe bei kleinen Abnahmemengen deutlich verbessert. Der Kostenvorteil durch Einsatz kleinerer Pumpen überwiegt häufig die Mehrkosten eines Frequenzumrichters.

Die aktuellsten Elektronikentwicklungen auf dem Sektor der Leistungselektronik ermöglichen die Integration der Frequenzumrichter in den Elektromotor. Bei ähnlich hohen Anschaffungskosten für Frequenzumrichter sind integrierte Varianten aufgrund des geringeren elektrischen Anschlussaufwandes und Platzbedarfes, da kein Schaltschrank notwendig, vorzuziehen. Die Pumpe kann dann als intelligente Pumpe – mit integriertem Regler und integriertem Frequenzumrichter – als integraler Bestandteil des Prozesses geregelt werden.
Für eine Aufschaltung und Ansteuerung der Pumpen auf eine Leitwarte gibt es selbstverständlich auch Pumpentypen, die mit einem Datenbusanschluss (Profibus-DP) ausgerüstet werden können. Dies ermöglicht ein anlagennahes Asset Management, Monitoring der Prozessdaten, Anlagenoptimierung über die Leitwarte wie auch die geplante vorbeugende Wartung und Instandhaltung.

Fazit: Die Integration von Frequenz-umrichter, Datenbustechnologie, moderner Motortechnologie und optimierenden Regelkreisen in die Pumpe bringt dem Anwender gerade in der Pharma- und Bioindustrie viele Vorteile.

Heftausgabe: März 2008
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Über den Autor

Stephan Gögl , Sales Manager, Hilge
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