Konstante Luftfeuchtigkeit im Reinraum

Eine Be- und Entfeuchtung der Luft ist für partikelarme und saubere Produktionsbedingungen unerlässlich. Nicht nur in der Pharma- und Lebensmittelindustrie, auch in der Medizintechnik, der Halbleiterfertigung oder der Luft- und Raumfahrttechnik sind Reinräume in vielen Verfahrensschritten ein Muss.

So unterschiedlich die Einsatzszenarien für Reinräume sein mögen, ist ihnen eines gemein: Es sind Bereiche, in denen die Konzentration luftgetragener Teilchen wie Partikel, Mikroorganismen und Staub so gering wie möglich gehalten wird, um den Schutz von Produkten, Personal und Umgebung sicherzustellen.

Ideale Reinraumatmosphäre

Nur mit der idealen Reinraumatmosphäre, die sich je nach Einsatzbereich unterscheidet, können die hohen Qualitätsanforderungen und -standards eingehalten werden. Dafür müssen Reinräume zum einen gewisse bauliche Anforderungen erfüllen, wie glatte und leicht zu reinigende Oberflächen sowie abgerundete Kanten und Verbindungen. Auch müssen Oberflächen und Materialien abriebfest sein und dürfen keine Partikel absondern. Zum anderen ist das Luftreinigungssystem ein zentrales Element. Es verhindert, dass Mikroorganismen oder Staub von außen eindringen. Ein Beispiel: In der höchsten Reinraumklasse ISO 1 dürfen maximal 10 Partikel mit einer Größe von 0,1 µm/m³ Luft enthalten sein. So schreibt es DIN EN ISO 14644-1 vor. Im Zusammenhang mit der Luftreinigung sind Temperatur, Druck und Feuchtigkeit ständig zu kontrollierende Parameter.

Der Be- und Entfeuchtung der Luft kommt dabei eine besondere Relevanz zu. Denn die relative Luftfeuchtigkeit (r. F.) – sprich: zu wie viel Prozent die Luft gesättigt ist – ist ein grundlegender Parameter der Betriebsbedingungen eines Reinraums. Die Toleranzmargen sind oft sehr knapp und selbst leichte Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit können große Auswirkungen auf die Performance der Reinräume haben.

Nicht zu trocken…

Ist die Raumluftfeuchtigkeit zu gering, erhöht das die Gefahr von elektrostatischen Entladungen (ESD), welche zum Beispiel elektronische Bauteile schwer beschädigen können. Eine relative Feuchte unter 30 % r. F. fördert das Aufkommen von elektrostatischen Entladungen. Optimal ist eine Luftfeuchtigkeit von 40-50 % r. F., da sich in diesem Bereich die Leitfähigkeit der Luft und des Materials so weit erhöht, dass elektrische Ladungen abgeleitet werden. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit im Reinraum kann es darüber hinaus dazu kommen, dass Beschichtungen zu schnell trocknen oder Probleme bei empfindlichen Druckanwendungen auftreten.

…aber auch nicht zu feucht

Ebenso zentral wie die Luftbefeuchtung ist die Luftentfeuchtung in Reinräumen. Feuchtigkeitseinträge durch warme, feuchte Außenluft sowie Feuchteabgabe durch Personen und Produkte beeinträchtigen die konstanten Bedingungen, was eine Regulierung und Entfeuchtung unerlässlich macht. Denn ist die relative Luftfeuchtigkeit zu hoch, beeinträchtigt dies die Prozesse und Verfahren im Reinraum.

Bei einer Luftfeuchtigkeit von über 60 % r. F. wachsen Bakterien und andere biologische Kontaminanten wie Viren, Pilze oder Schimmel, was es vor allem im Bereich der Pharma- und Lebensmittelindustrie zu verhindern gilt.

Auch chemische Reaktionen werden von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst, so auch Korrosionsprozesse. Ein hoher Feuchtegehalt hat zudem Auswirkungen auf die Kapillarkräfte: Sie erhöhen die Oberflächenadhäsion der Wasserteilchen. Diese Kräfte können die Präzision und Prozessgeschwindigkeit beeinträchtigen. Auch die Verarbeitung von Halbleitern erfordert eine präzise kontrollierte Luftfeuchtigkeit im Reinraum, da die Viskosität der Photoresist-Schichten hoch feuchteempfindlich ist.

Eine zu hohe Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt darüber hinaus die Rieselfähigkeit von Schüttgütern, wie Pulvern und Granulaten. Gerade bei der Produktion und Verarbeitung von pharmazeutischen Produkten, wie Tabletten, ist die Rieselfähigkeit von Schüttgütern ein wesentlicher Qualitätsfaktor und muss während des Prozesses ständig gewährleistet sein.

Entfeuchtungssysteme verhindern Verklumpungen oder hygroskopische Reaktionen der Pulver, Granulate und der pharmazeutischen Endprodukte und sorgen somit für einen optimalen und kontinuierlichen Prozessfluss.

Zur Luftentfeuchtung gibt es grundsätzlich zwei unterschiedliche Techniken: die Kondensations- und die Adsorptionsentfeuchtung. In Reinräumen findet in der Regel die Adsorptionstechnik Anwendung. Je nach Einsatz oder Anforderung des Reinraums kann sich in bestimmten Fällen auch die Entfeuchtung mittels Kondensation eignen.

Kondensationsluftentfeuchter kommen für Standard-Entfeuchtungsprozesse zum Einsatz, bei denen eine Feuchte bis zu 40 % r. F. bei einer Raumtemperatur von etwa 5 bis 35 °C eingehalten werden soll. Die Geräte sind wie Kältemaschinen mit Verdichter, Verdampfer und Verflüssiger aufgebaut. Ein Ventilator saugt feuchte Raumluft ins Gerät, filtert diese und führt sie anschließend durch den Verdampfer. In diesen strömt flüssiges Kältemittel, das der Luft Wärme entzieht und dabei verdampft. Dadurch wird die Luft so stark abgekühlt, dass deren Taupunkt unterschritten wird und Wasser aus der Luft kondensiert. Je niedriger die Temperatur im Verdampfer, desto mehr Wasser wird der Luft als Kondensat entzogen.

Die entfeuchtete, kühle Luft strömt anschließend durch den Verflüssiger der Kältemaschine, wird dort von der Kondensationswärme erwärmt und strömt anschließend zurück in den Raum.

Adsorptionstrockner hingegen werden für eine geringe Feuchte und niedrige Temperaturen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Rotations-Wärmeübertrager, einem Luftfilter, zwei Ventilatoren sowie einem Erhitzer. Der Prozessluftventilator fördert die zu trocknende Luft ins Gerät, die dort einen Luftfilter passiert und auf einen sich langsam drehenden Sorptionsrotor trifft. Dieser besteht zu über 82 % aus Silicagel auf einer luftdurchlässigen Glasfaser-Wabenstruktur und kann sehr große Mengen an Wasser aus der Prozessluft auf der Oberfläche aufnehmen und in seiner inneren Struktur speichern. Regenerationsluft, die den Sorptionsrotor im Gegenstrom durchströmt, entzieht die im Silicagel eingelagerte Feuchtigkeit, verlässt den Adsorptionstrockner und wird an die Außenluft abgegeben.

Besser früh beraten lassen

Wie muss die Anlage dimensioniert sein, um das spezifische Anforderungsprofil eines Reinraums zu erfüllen? Welche Technologien sind für dieses Anforderungsprofil bei der Luftbefeuchtung (adiabat, isotherm) bzw. bei einer Entfeuchtung (Adsorption, Kondensation) am sinnvollsten? Und wie ist die Anlage einzurichten, um die Betriebskosten so niedrig wie möglich zu halten?

Um präzise Antworten auf Fragen zu Umfang, technischer Ausstattung und Kosteneffizienz zu erhalten, sollte bereits früh im Planungsprozess ein Fachberater konsultiert werden, denn eine fachgerechte Planung ist stets die Basis für einen einwandfreien, sicheren und energieeffizienten Betrieb.