Ein Richtwert für die Reinigungsfähigkeit

Beurteilung des L/D-Verhältnisses bei Mehrwege-Ventilblöcken

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29.09.2020 Für Ventilkonstruktionen existieren exakte Richtwerte, die als Maß für wichtige Faktoren wie Toträume und Reinigbarkeit dienen. Besonders vorteilhafte Lösungen wie Mehrwege-Ventilblöcke erfordern beim Bestimmen dieser Werte jedoch besondere Aufmerksamkeit.

Entscheider-Facts

  • Durch die Fertigung von Mehrwege-Ventilblöcken aus einem Vollmaterialblock entfallen die systembedingten Nachteile herkömmlicher Ventilkonfigurationen wie Hold-up-Volumen und große Toträume.
  • Konstruktionsbedingt ist allerdings die Berechnung des für GMP-Richtlinien wichtigen L/D-Verhältnisses zur Bewertung der Rinigungsfähigkeit nicht auf dem üblichen Weg zu bestimmen.
  • Mit der beschriebenen Methodik zur quantitativen Beurteilung des L/D-Verhältnisses lässt sich ein aussagekräftiger Vergleichswert für die Reinigungsfähigkeit von Mehrwege-Ventilblöcken ermitteln.
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Mehrwege-Ventilkörper aus Edelstahl sind mittlerweile eine etablierte Lösung für Hygiene-Prozesse. (Bilder: Gemü)

Auch heute noch werden im Rohrleitungsbau einfache Feinguss- oder Durchgangsventilkörper mit Rohrfittings zusammengeschweißt. Diese haben jedoch durch die relativ großen Toträume einen erheblichen Nachteil – speziell was die Reinigbarkeit betrifft. Deshalb wurde 1993 bei Gemü der erste einfache Mehrwege-Ventilkörper, das T-Ventil, selbstentleerend und ganz ohne Schweißnähte entwickelt. Heute stellen die Mehrwege-Ventilblöcke die fortschrittlichste Lösung dar, um den hohen und komplexen Anforderungen im Anlagenbau der pharmazeutischen, biotechnologischen und chemischen Industrie sowie der Lebensmittelindustrie gerecht zu werden. Dabei zählt die Reinheit in Prozessen und die damit verbundene bestmögliche Reinigbarkeit von Ventilen zu den herausforderndsten Themen – und das nicht nur bei pharmazeutischen Anwendungen.

L/D-Verhältnis ist entscheidend

Anlagenbetreiber beziehen sich im Normalfall auf die FDA/GMP-Richtlinien oder den ASME/BPE-Standard. Alle Regelwerke definieren für Ventilkonfigurationen exakte geometrische Bezugspunkte. Diese Regeln beschreiben den maximal zulässigen, nicht durchströmten Rohrabschnitt in einer Ventilkonfiguration zwischen Ventil 1 und Ventil 2. Sie werden entweder als 3D-Regel (3xØID) oder 6D-Regel (6xØID) bezeichnet: Der Längenabstand von der Unterkante (3D-Regel) oder der Mittelachse (6D-Regel) des Innendurchmessers des Hauptventils bis zur Mitte des Dichtstegs des angeschweißten zweiten Ventilkörpers darf maximal das 3-fache bzw. das 6-fache des Innendurchmessers des angeschweißten Ventilkörpers betragen; das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis) ist somit die entscheidende Größe.

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Veranschaulichung von 3D-Regel (links) und 6D-Regel (rechts) zur Konfiguration zweier Ventile.

Wenn viele dieser Einzelventile in einer Rohrleitung verschweißt sind, entstehen in der Regel auch relativ große Toträume. Nicht so bei einem Mehrwege-Ventilblock: „Im Gegensatz zu aufwendigen Schweißkonfigurationen, wird der Gemü M-Block für die Pharma-Anwendung komplett aus einem Edelstahl-Vollmaterial-block gefertigt“, erklärt Matthias Wolpert, strategischer Produktmanager der Business Unit Pharma, Food & Biotech bei Gemü. „Dadurch bietet er ein kompaktes multifunktionales und entleerungsoptimiertes Design, deutlich reduzierte Toträume, ein verringertes Hold-Up-Volumen sowie einen verbesserten Know-how-Schutz für Anlagenbetreiber.“ Zusätzlich steigt auch die Produktsicherheit, da im Ventilblock auf Schweißnähte komplett verzichtet werden kann.

Neben allen gängigen Anschlussnormen können auch spezielle Prozessanschlüsse wie Tri-Clamps oder hygienegerechte Dichtkonturen direkt in den M-Block-Ventilkörper eingearbeitet werden. Dabei sind der individuellen Gestaltung der Ventile kaum Grenzen gesetzt. In den 25 Jahren seit der Markteinführung des M-Block-Ventils hat der Anbieter mehr als 1.200 unterschiedliche Bauformen mit über 25.000 kundenspezifischen Lösungen in unterschiedlichen Edelstahllegierungen realisiert. Auch Lösungen aus Kunststoff sind im Standard möglich und aufgrund ihrer Materialeigenschaften für verschiedene Anwendungen geschätzt.

„Maßstab für optimale Reinigbarkeit“

Die gängigen Formeln aus den oben beschriebenen 3D-/6D-Regeln lassen sich bei Mehrwege-Ventilblöcken aufgrund deren abweichender Geometrien und Querschnitte (D-förmig anstatt kreisrund) nicht oder nur bedingt zur Berechnung des Totraums anwenden. Dennoch ist auch hier das L/D-Verhältnis entscheidend, denn es bietet einen Richtwert zur Beurteilung der Reinigungsfähigkeit von Mehrwege-Ventilblöcken. „Somit wird L/D zu unserer Formel und zu unserem Maßstab für optimale Reinigbarkeit bei Mehrwege-Ventilblöcken“, betont Wolpert. Damit das nicht nur auf dem Papier gut funktioniert, sondern auch in der Praxis einen aussagekräftigen Vergleichswert ergibt, haben die Experten um Wolpert ein Rechenmodell entwickelt, um das L/D-Verhältnis auch bei Mehrwege-Ventilblöcken zu bestimmen. Es hilft damit, die optimale Reinigbarkeit bei Mehrwege-Ventilblöcken messbar und damit für Anlagenbauer verlässlich planbar zu machen – und das nicht nur bei sterilen Prozessen.

Das L/D-Verhältnis von Mehrwege-Ventilblöcken lässt sich mit der Methodik von Gemü leicht und in wenigen Schritten ermitteln:

  • der theoretische Durchmesser „D“
    Die Fläche einer D-förmigen Ventiltasche lässt sich aus geometrischer Sicht auch als Kreisfläche darstellen, ohne das Flächenmaß dabei zu verändern.
  • die Länge „L“ und der Neigungswinkel „α“
    Diese beiden Maße werden mithilfe der technischen Zeichnung des Ventilkörpers bestimmt.
  • Übersicht standardmäßiger Ausführungen
    Tabelle 4c bildet die gängigsten Neigungswinkel „α“ in Verbindung mit den entsprechenden Membrangrößen ab. Mithilfe dieser Werte ist der theoretische Durchmesser schnell und einfach zu ermitteln.
  • Ergebnis: Das optimale „L/D“-Verhältnis
    Die ermittelten Werte „L“ (aus der Zeichnung) und „D“ (aus der Tabelle) werden nun ins Verhältnis gesetzt. Das Ergebnis gibt Aufschluss darüber, ob die zu erfüllenden Vorgaben aus den Richtlinien und Normen mit dieser Ventilauslegung erreicht werden können. In diesem Beispiel ergibt sich ein L/D-Wert von 1,66, was die Vorgaben der 3D-Regel erfüllt.

 

 

Heftausgabe: Pharma+Food Oktober 2020

Über den Autor

Matthias Wolpert, Produktmanager Business Unit Pharma, Food & Biotech, Gemü
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