Hochreine Druckluft für die Impfstoffproduktion

Bei der Steigerung der Impfstoffmengen in bisher nie praktizierter Dimension zur Eindämmung und Beendigung der Pandemie kämpfen die Pharmaindustrie und ihre Zulieferer weltweit mit unterschiedlichen Problemen, die sich nur Schrittweise lösen lassen. Die Folge: Erweiterungen und Umstellungen bestehender Produktionsstätten führen zu Lieferengpässen. Wenig überraschend waren darauf Meldungen wie „Die Produktionsmenge ist durch Ausbauarbeiten gebremst, der Konzern liegt gegenüber seinen ursprünglichen Produktionsplänen zurück.“

Ausgereifte Technologie ist vorhanden

Dass die Herstellung von Vakzinen im großem Stil nicht von heute auf morgen hochgefahren werden könne, darauf wies Rolf Hömke, Forschungssprecher des Verbandes forschender Arzneimittelhersteller (VFA) Mitte Januar im Gespräch mit der Deutschen Welle (DW) hin: „Es ist eine Sache, in einem kleinen Maßstab zu produzieren, es ist eine andere Sache, wenn sie auf einmal hochskalieren müssen.“

Positiv ist, dass ausgereifte Technologien für die Erweiterung der Kapazitäten bereits zur Verfügung stehen und nicht erst zu entwickeln sind. Beispielhaft dafür sind die Komponenten zur Erzeugung und Aufbereitung der hochreinen Druckluft, die als Prozess- und Arbeitsluft unverzichtbar ist. Der Einsatz ölfrei verdichtender Kompressoren ist hier von Vorteil. Die nachgeschaltete Aufbereitung ist dann weniger aufwendig.

Für die Pharmaindustrie, die sich an den allgemeinen Vorgaben der ISO 8573 und der VDMA Richtlinie 15390-2 orientiert und weltweit einen extrem hohen Sicherheitsstandard voraussetzt, ist die Bereitstellung öl- und partikelfreier, trockener Druckluft selbstverständlich. Auch beim Einsatz von ölfrei arbeitenden Kompressoren in diesen Produktionsbereichen ist deshalb die Aufbereitung der Druckluft in mehreren Stufen notwendig bevor sie als Prozessluft oder Steuerluft eingesetzt wird. Dafür sind in den Druckluftstationen Kältetrockner- und/oder Adsorptionstrockner mit einem Drucktaupunkt von z.B. -40 °C sowie Filterkombinationen installiert, und in weiten Teilen der Produktion kommt ausschließlich Sterilluft zum Einsatz. Es bleibt also eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit, durch den Einsatz ölfreier Kompressoren die Belastung durch Ölaerosole bereits bei der Erzeugung zu minimieren.

Weil die Produktion großer Mengen Impfstoff auch große Mengen zusätzlicher Druckluft erfordert, müssen die Betreiber bestehende Druckluftstationen aufrüsten. Ein neuer ölfreier Plug & work-Kompressor kommt den Unternehmen in dieser Situation wie gerufen. Sein digitalisierter Antrieb liefert präzise den benötigten Volumenstrom im vorgegebenen Druckniveau. Wenn der Druckluftbedarf wächst, kann dieser Kompressor innerhalb des verfügbaren Nennleistungsspektrums von 75 kW bis 160 kW auf die gewünschte Kapazität „aufgerüstet“ werden. Dies ist deutlich wirtschaftlicher als die Investition in einen neuen größeren oder zusätzlichen Kompressor. Darüber hinaus entfallen auch Stillstandszeiten, Lieferfristen und Installationskosten sowie zusätzlicher Platzbedarf. In der aktuellen Situation, in der viele Pharmaunternehmen am Aufbau von Produktionskapazitäten für die Impfstoffproduktion arbeiten, ist das ein entscheidendes Argument für den Einsatz der neuen Ultima-Kompressoren von Compair, die bereits weltweit an vielen Standorten der Pharmaproduktion die Druckluftversorgung sicherstellen.

Die wirtschaftlichen Vorteile einer weitgehenden Plug & work-Installation dieser kompakten Maschinen, die ohne aufwendige Luftkanalinstallationen auskommen, sind erheblich. So wird im Vergleich mit herkömmlichen ölfreien Kompressoren ca. 37 % an Stellfläche eingespart. Die Nach- und Umrüstungen von Druckluftstationen, auch unter eingeschränkten Platzverhältnissen, ist einfach realisierbar. Hinzu kommt der Vorteil eines Schalldruckpegels von nur 69 db(A) Ein weiteres Ergebnis des kompakten getriebelosen Kons-truktionsdesigns, das durch die Digitalisierung des Antriebs erreicht wird.

Digitaler Direktantrieb der Druckstufe

Die physikalischen Grenzen der Thermodynamik lassen den Entwicklern von Druckluftkompressoren nur enge Spielräume für Effizienzsteigerungen. Diese galt es bei der Konstruktion des neuen ölfrei arbeitenden Schraubenkompressors unter Einsatz von Technologien auszuschöpfen, die sich als zukunftsweisend erwiesen haben. Dazu gehört die dynamische Entwicklung elektronisch geregelter Antriebe und ihrer Software. In Zusammenarbeit mit hochkarätigen Zulieferern dieser Technik wurden für den Antrieb Highspeed-Permanentmagnetmotoren und auf sie abgestimmte Umrichter entwickelt, mit denen präzise regelbare Drehzahlen von bis zu 22.000 U/min erreichbar sind, bei Wirkungsgraden weit über dem Effizienzstandard IE4 und erstmals ohne den Einsatz mechanischer Getriebe, die das System energetisch und mit Schmierstoffen belasten würden. Das Ziel, bei der Konstruktion eines neuen ölfreien Kompressors die Leistungsdichte zu verbessern und Bauraum sowie Gewicht zu reduzieren, wurde damit erreicht.

Mit diesem digitalen Antriebskonzept wurde es möglich, die Nieder- und die Hochdruckstufe mit ihren hochpräzisen Schrauben unabhängig voneinander direkt mit je einem dieser Motoren so anzutreiben, dass die Verdichtungsverhältnisse der beiden Stufen zu jeder Zeit und in jedem Betriebspunkt optimal aufeinander abgestimmt sind. Der so erreichbare stets maximale Wirkungsgrad führt zur Verringerung der Energiekosten um bis zu 13 %. Auch das Problem der ungenutzten Energie im Leerlauf von drehzahlgeregelten Kompressoren wurde damit wesentlich verringert: Die neuen Kompressoren verbrauchen im Leerlauf bis zu 45 % weniger Strom als konventionelle zweistufige Verdichter. Bei der 160-kW-Maschine Ultima U160 sind es nur 8 kW.

Nachhaltigkeit durch Digitalisierung

Das geschlossene Kühlsystem des Kompressors ermöglicht dabei die Nutzung der bei der Verdichtung entstehenden Abwärme zur Erzeugung von Prozesswarmwasser mit nutzbaren Temperaturen von bis zu 85 °C, und das erstmals nicht nur bei wassergekühlten, sondern auch bei den luftgekühlten Modellen. Das zahlt sich in der Pharmaindustrie aus, die für ihre zahlreichen Produktionsprozesse einen hohen Prozesswärmebedarf hat. Werden Adsorptionstrockner eingesetzt, um einen optimalen Drucktaupunkt der Druckluft zu erreichen, kann ein Teil der Abwärme auch zur Regeneration des Trockenmittels dienen.

Da es sich hier um den ersten luftgekühlten ölfreien Kompressor handelt, der bis zu 98 % der bei der Verdichtung erzeugten Wärme zur Erzeugung von Prozesswarmwasser zurückgewinnen kann, ist ein Betriebskostenvergleich nur mit marktüblichen zweistufigen ölfreien Kompressoren möglich. Berechnungen auf der Basis unterschiedlicher Einsatzbedingungen haben bei voller Ausschöpfung des Potenzials der neuen Technologie jährliche Betriebskosteneinsparungen von 40.000 Euro bis 80.000 Euro bei voller Nutzung der Wärmerückgewinnung ergeben. Damit sind auch die Voraussetzungen für eine Förderung der Investition nach dem BAFA-Programm „Energieeffizienz und Prozesswärme aus erneuerbaren Energien in der Wirtschaft“ gegeben, das neben der Förderung hocheffizienter Kompressoren mit Drehzahlregelung auch Wärmeüberträger für die Wärmerückgewinnung in Drucklufterzeugungsanlagen einbezieht.

Dirk Tenbrink, Vertriebsleiter Ölfreie Kompressoren von Compair, fasst zusamen: „Wir sehen es als unsere Aufgabe an, die Unternehmen die unsere Kompressortechnologien einsetzen, bei ihren Bemühungen um mehr Nachhaltigkeit in der Produktion zu unterstützen. Unser Ziel ist es, dass der „Product Carbon Footprint“ der Drucklufterzeugung kalkulierbar wird. Besonders für die Pharmaindustrie ist es darüber hinaus wichtig, dass wir nach den Regeln der Good Manufacturing Practice produzieren und damit durch lückenlose Dokumentation und vorbeugender Instandhaltung Verantwortung übernehmen.“