Im Praxistest

Manschettenlösung ersetzt PTFE- oder Metallbalg in aseptischen Einsitzventilen

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16.09.2014 Eine grundlegende Anforderung an aseptische Prozessanlagen ist die sichere hermetische Trennung der produktberührten Anlagenbereiche von der Umgebung, um die Gefahr mikrobiologischer Verunreinigungen zu eliminieren. Um diese hermetische Trennung bei aseptischen Prozessventilen zu erreichen, muss der bei der Betätigung von Spindelventilen auftretende „Fahrstuhleffekt“ verhindert werden. Hierzu wurde jetzt eine Manschetten-Lösung für Einsitzventile entwickelt, die den häufig eingesetzten PTFE- und Metallbälgen in vielerlei Hinsicht überlegen ist.

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Entscheider-Facts für Betreiber


Die wichtigsten Kennzeichen der P3-Manschette im Überblick:
  • sehr gute Umströmungseigenschaften, einfachste Reinigung, domfreie Gehäusegestaltung;
  • bei Bruch ungehinderte Leckageführung, kein Hygienerisiko;
  • gute chemische Beständigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit;
  • kein Kaltflussverhalten, niedriger Reibungskoeffizient;
  • gute dynamische und statische Druckstabilität, hohe Schaltspielzahl

In der Pharmabranche bereits Standard, nimmt der Einsatz von aseptischen Produktions- und Abfüllanlagen in der Getränke-, Lebensmittel- und Molkereiindustrie stetig zu. Die Gründe hierfür sind einerseits sich verändernde Konsumgewohnheiten. Als Beispiel sei hier der Trend zu möglichst naturbelassenen, frei von chemischen Konservierungsmitteln, mikrobiologisch jedoch oft sensibleren Produkten genannt. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die zunehmende Beliebtheit von Verkaufsverpackungen, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften nur kalt befüllt werden können.

Gleichzeitig werden von Seiten des Handels längere Mindesthaltbarkeiten und höhere Qualitätsstandards gefordert. Nicht zuletzt gilt es aus Gründen der Produkthaftung, die Gefährdung der Konsumenten vor gesundheitsschädlichen Keimen zu verhindern. In diesem Umfeld steigen sowohl die prozesstechnischen als auch die ökonomischen Optimierungsanforderungen, die von den Herstellern an die Lieferanten der entsprechenden Komponenten gestellt werden. Hierzu zählen unter anderem die Möglichkeit einer automatisierten CIP/SIP-Reinigung (CIP=Cleaning in Place / SIP=Sterilization in Place), die Minimierung dieser Reinigungszeiten und eine kostengünstige, einfache und schnelle Wartung.

Eine Schlüsselposition in der aseptischen Produktionskette nehmen die verbauten Ventile ein. Sie steuern nicht nur die Produktwege, sondern ermöglichen auch eine automatisierte CIP-Reinigung der Prozessanlage. Damit sind sie die Schnittstelle zwischen Produkt, Prozess und Umgebung – und das bei sich dynamisch verändernden Betriebszuständen.

Bälge zwar praktikabel, aber längst nicht optimal
Hinsichtlich der geforderten hermetischen Trennung ist die Ventilspindel ein sehr sensibles Bauteil. Im Fokus steht dabei der Bereich, der durch eine Hubbewegung mit der Atmosphäre in Berührung kommt und folglich eine potenzielle Eintrittsschleuse für Produktkontaminationen ist. Der Grad der Eliminierung dieses so genannten Fahrstuhleffekts ist daher auch ein ganz wesentlicher Unterschied zwischen hygienischem und aseptischem Ventil. Bei hygienischen Ventilen kommen an diesem Punkt gängige Schaftdichtungen zum Einsatz, die eine potenzielle Produktverschleppung nicht komplett ausschließen können. Bei aseptischen Prozessventilen wurde die geforderte hermetische Absicherung des Spindelhubs bisher meist durch einen flexiblen PTFE- oder Metallbalg sichergestellt.

Mit Blick auf die geforderten EHEDG-Merkmale der aseptischen Prozessgestaltung fällt auf, dass Bälge hierzu eigentlich im Widerspruch stehen. So ist allein die wellige große Oberfläche eines Balgs bezüglich ihrer Reinigbarkeit augenscheinlich nicht optimal. Hinzu kommen verschlechterte Strömungsbedingungen innerhalb des Ventils und bei größeren notwendigen Hüben eine konstruktionstechnisch nicht zu vermeidende Dombildung.

Abschließend sollte bedacht werden, dass gerade bei einem Sitzventil mit Metallbalg ein überaus wertiges Bauteil verworfen wird, wohingegen bei der P3-Manschette nur die eigentliche Dichtung zu ersetzen ist. Entsprechend reduzieren sich die laufenden Kosten und die Lagerhaltungskosten.

Darüber hinaus müssen die spezifischen Eigenschaften der Bauarten einlagiger und zweilagiger Metallbälge sowie PTFE-Bälge berücksichtigt werden. Der PTFE-Balg erreicht beispielsweise relativ hohe Schaltspielzahlen und ist chemisch sehr beständig. Jedoch sorgt das Kaltflussverhalten von PTFE zu einem schnellen Ausflachen der Ventil-Sitzkante; dies macht sich bei höheren Temperaturen noch deutlicher bemerkbar. Die Temperaturbeständigkeit ist im Vergleich zu Metallbälgen deutlich reduziert.

Manschette im Praxisalltag bewährt
Der einlagige Metallbalg wiederum bietet eine sichere Leckagedetektion, erreicht allerdings nur eine geringe Schaltspielzahl. Zweilagige Metallbälge sind demgegenüber ebenso temperaturbeständig, haben gegenüber einlagigen Bälgen eine etwas verbesserte dynamische und statische Druckfestigkeit und erreichen eine höhere maximale Schaltspielzahl. Doppelwandige Bälge stellen allerdings keine optimale Leckageführung sicher. Zu guter Letzt ist die äußere Metalllage höheren Belastungen ausgesetzt als die innere; dies kann zur Bildung von Mikrorissen und Taschen führen, ohne dass der Balg undicht wird. Durch diese Rissbildung an der äußeren, produktseitigen Hülle und der Kapillarwirkung des Spalts zwischen den Metallwandungen ist ein Hinterwandern mit Produkt nicht auszuschließen. Dies macht eine Kontamination des Endprodukts möglich.

Als weiterer Schwachpunkt sind die zur Herstellung erforderlichen Längsschweißnähte an den Faltenbälgen zu sehen. Fertigungstechnisch ist keine homogene Herstellung eines ein- oder zweilagigen Balges möglich. Im Randbereich der Schweißnähte entstehen Gefügeveränderungen mit unterschiedlichen Festigkeitskennwerten. Somit sind die Schweißnähte ein weiterer kritischer Kontrollpunkt bei der Herstellung und während ihres Einsatzes im laufenden Betrieb.

Werden die Eigenschaften der Balgtechnologie bilanziert, zeigt sich, dass diese eine zwar sehr praktikable, aber unter vielen Gesichtspunkten längst nicht optimale Lösung der Spindelabdichtung darstellt. Aus diesem Grund gibt es bereits seit vielen Jahren Bestrebungen, den Balg zum Beispiel durch eine Manschette zu ersetzen. Diese Versuche scheiterten bislang jedoch am Fehlen eines geeigneten Materials. Mit der Entwicklung der P3-Manschette wurde diese Herausforderung erstmalig in allen Punkten gelöst und hat sich zwischenzeitlich bei vielen Endanwendern durchgesetzt und im Praxisalltag dauerhaft bewährt.

500.000 Schaltspiele ohne Verschleiß
Die P3-Manschette erfüllt die FDA- und USP-Class-VI-Vorgaben und eignet sich somit uneingeschränkt für aseptische Ventillösungen in der Getränke-, Lebensmittel-, Molkerei- und Pharmaindustrie. Das weiße Material entspricht im Wesentlichen den Eigenschaften und Beständigkeiten eines PTFE-Werkstoffes. Demgegenüber verbessert wurde das Kaltflussverhalten. Das P3-Material ist elastisch und besitzt ein Rückstellverhalten. Das Material ist durchgehend homogen, flexibel und eignet sich für eine hohe Anzahl an Lastwechseln. Die Gefahr einer Taschen- und Rissbildung – typisch für Mehrkomponentensysteme – besteht somit nicht.

Das Dichtungsmaterial selbst zeichnet sich durch eine hohe Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Reinigungsmitteln und Temperaturen bis 150 °C aus. Es verfügt über eine sehr gute Druckstabilität bis 10 bar dynamischer Druck. Auch eine seitliche Anströmung stellt für die Manschette keine Herausforderung dar. Zum Vergleich: Der einlagige Metallbalg stößt bei 5 bar an seine Belastungsgrenze. Das P3-Material hat darüber hinaus geringe Hafteigenschaften, entsprechend gut ist es zu reinigen. Dagegen können bei Metallen aufgrund der hohen Oberflächenspannung Verunreinigungen anhaften und dann bei einem nachfolgendem Sterilisationsprozess „anbacken“.

Als interessante Einsatzmöglichkeiten für P3-Manschetten sind aseptische Anwendungen wie beispielsweise der pasteurisierte Bereich von Molkereien, die kaltaseptische Getränkeabfüllung oder pharmazeutische Anlagen zu nennen. Weitere Einsatzgebiete sind Prozessventile zur Verarbeitung von abrasiven oder an der Atmosphäre kristallisierenden Medien wie Laktose oder Instant-Kaffee.

Powtech Halle 9 – 457

Hier erfahren Sie mehr über die P3-Manschette

Heftausgabe: September 2014
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Dietmar Ladenburger, Head of Product Management Pentair Südmo

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Dietmar Ladenburger, Head of Product Management Pentair Südmo
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