Diamantbeschichtete Doppeldichtung für Fermenter-Rührwerke

Für einen biotechnologischen Prozess eines Pharmaunternehmens löste der Dichtungshersteller Eagle Burgmann einen besonders kniffligen Fall.

Das Unternehmen stellt in einem Fermenter Biokulturen her. Das Rührwerk des Fermenters wird von unten angetrieben, die rotierende Rührwelle ist gegen den Behälterboden abgedichtet. Die Dichtung ist über einen Flansch mit dem Behälter verschraubt und verhindert Produktleckage über den Wellendurchtritt. Aufgrund des Untenantriebs stehen das abzudichtende Produkt und die volle Produkttemperatur direkt an der Dichtung an.

In die Entwicklung der Dichtungslösung flossen Erfahrungen mit Gleitringen in Multiphasenpumpen ein.1 Gleitring produktseitig, mit Diamond Face beschichtet, 2 Gegenring produktseitig, mit Diamond Face beschichtet, 3 Gleitring atmosphärenseitig,4 Gegenring atmos-phärenseitig, 5 Eingang Sperrflüssigkeit, 6 Ausgang Sperrflüssigkeit.Gelbe Flächen: rotierende Teile der Dichtung, blaue Flächen: stationäre Teile der Dichtung, graue Flächen: Welle und Gehäuseteile.

Raue Bedingungen, eingeschränkte Materialien

Für diese Anwendung setzte der Dichtungshersteller zunächst die flüssigkeitsgeschmierte Doppeldichtung MR-D im Sterildesign HSMR333 ein, da sie sich besonders gut für Oben-, Seiten- und Untenantriebe von Rührwerken eignet. Die glatte, totraumfreie Oberflächenkontur des Designs kommt hohen Hygienestandards entgegen. Der Pharmaproduzent hatte ausschließlich Siliziumkarbid als Werkstoff für die produktberührenden Gleitringe freigegeben, daher konnten die Gleitflächen nur in Hart-Hart-Paarung ausgeführt werden. Da diese Paarung eine optimal geschmierte Dichtflächen erfordert, befinden sich auf den Gleitflächen präzise gefertigte Nuten, über die sich die dichtende und schützende Schmierflüssigkeit optimal verteilt.

Eine weitere Herausforderung an die Entwicklung von Dichtungslösungen für die Pharmaindustrie und insbesondere für die Produktion von Biopharmazeutika ist die überschaubare Anzahl der zugelassenen Hilfsstoffe als Sperrmedium. Für das Abdichten der Welle des Rührwerks kam im Fall des Fermenters lediglich ein Dampfkondensat, also hochreines Wasser in Frage.

Als die Dichtung eine Weile im Einsatz war, führte das Zusammenspiel der schlechten Schmiereigenschaften des Dampfkondensats mit den Gleitringen in Hart-Hart-Paarung regelmäßig zu Schäden an den Schmiernuten. Daher war auch damit zu rechnen, dass Partikel des Siliziumkarbids in den Behälter mit den Biokulturen gelangen konnten und die Dichtung mit dem Produkt kontaminiert wurde. Die beschädigten Nuten erhöhten außerdem die Leckagerate. Ein erschwerender und prozessbedingt nur aufwendig zu beseitigender Unsicherheitsfaktor war zudem die Entlüftung der Dichtung.

Weniger Leckage mit künstlichem Diamant

Nach eingehender Prüfung aller technischen Lösungsmöglichkeiten, übertrug der Dichtungsanbieter seine Erfahrungen mit Gleitringen, die für den Einsatz in Multiphasenpumpen speziell beschichtet sind, auf den Einsatz im Fermenter-Rührwerk. Auch in Multiphasenpumpen sind Dichtungen einer Mangelschmierung ausgesetzt und gerade für solche rauen Einsatzbedingungen hat der Dichtungsspezialist die Diamond-Face-Technologie entwickelt. Durch ein spezielles Verfahren erhalten die Gleitflächen eine mikrokristalline Diamant-Beschichtung, die vor Verschleiß durch feststoffbeladene Medien und partiellen Trockenlauf der Dichtung schützt.

Für den Pharmakunden tauschte der Dichtungsanbieter Gleitring und Gegenring der Dichtung durch Ausführungen mit Diamant-Beschichtung aus. Aufgrund der guten Gleiteigenschaften dieser Beschichtung konnte auf Schmiernuten verzichtet werden, was nebenbei die Leckage-Werte der Dichtung reduzierte. Nun zeigte sich die Dichtung absolut unempfindlich gegenüber Mangelschmierung, doch auch ohne Nuten entsprach die Leckage nicht den gewünschten Werten der bisher eingesetzten, klassischen SiC-Ausführung.

Ein entscheidender Teil der Lösung, die Leckage zu reduzieren, lag darin, die Gleitflächen anwendungsgerecht zu polieren. Zusätzlich wurde der Sperrdruck reduziert, um der Dichtung weniger Sperrmedium zuzuführen. Aufgrund der Diamant-Beschichtung blieb die Funktion der Gleitflächen dadurch unberührt. Schließlich lag die Leckage bei 0,1 Liter innerhalb von drei Wochen – ein Wert, der den Kunden voll zufriedenstellte.

Technische Bestandsaufnahme vor Ort.

Diamant als Standardwerkstoff

Nach sechs Monaten Betriebsdauer wurden die Gleitflächen der Dichtungsringe geprüft und ohne Beanstandung weiterverwendet. Inzwischen sind die Dichtungen seit ein paar Jahren rund um die Uhr im Einsatz. Nicht nur der personelle Aufwand für die Wartungsarbeiten der Dichtungen ist erheblich zurückgegangen, auch die anfänglichen Produktionsausfälle sind Geschichte. Der Pharmaproduzent ist von den Produkteigenschaften des Siliziumkarbids mit Diamant-Beschichtung so überzeugt, dass er diese Kombination inzwischen als technologischen Standard zugelassen hat.

ZUR ANWENDUNG

Betriebsbedingungen
Temperatur: t = 37 °C (99 °F)
Behälterdruck: p1 max. = 1 barg (15 PSIG)
Sperrdruck: p3 max. = 3 barg (44 PSIG)
Sperrmedium: Dampfkondensat
Drehzahl: n max. = 700 min-1

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