Prozessluft-Trocknung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie

Aber auch der Herstellprozess kann durch eine hohe Luftfeuchtigkeit leiden: Schwankende Feuchtigkeit in der Umgebungsluft kann in verfahrenstechnischen Prozessen mit Pulvern und Schüttgütern zu Problemen wie Agglomeration, Adhäsion oder sich verschlechternden Fließeigenschaften führen. Je nach Wetterlage – beispielsweise im Sommer – schwankt die Luftfeuchtigkeit: Prozesse, die im Winter und Frühjahr problemlos funktionieren, können Betreiber im Sommer vor erhebliche Herausforderungen stellen. „Werden beispielsweise hygroskopische Nahrungsmittel-Produkte pneumatisch gefördert, stellt ungewollt in die Druck- oder Saugförderleitung eintretende Luftfeuchtigkeit eine Gefahr dar. Hierdurch kann es sehr leicht zu einem Verklumpen der einzelnen Produktpartikel und letztendlich zum Verblocken oder Verstopfen des gesamten pneumatischen Fördersystems kommen“, nennt Frank Schimmelmann, Geschäftsführer des auf Lufttrockung spezialisierten Unternehmens ULT ein Problem, das zu teuren Produktionsausfällen führen kann. Aber auch die Qualität der Produkte und deren Haltbarkeit können mit zunehmender Luftfeuchtigkeit leiden.

Häufig wird die Prozessluft deshalb mit Kondensationstrocknern entfeuchtet. Doch das Verfahren hat Grenzen, weiß Frank Schimmelmann, Geschäftsführer bei ULT Dry-Tec: „Mit Konvektionstrocknern stößt man bei zirka 50 % relativer Feuchte und Raumtemperatur an eine Grenze.“ Dazu kommt, dass sich in kalten Umgebungen in den Verpackungen Kondenswasser bilden kann, wenn das Produkt in nicht konditionierter Produktionsumgebung mit feuchter Umgebungsluft verpackt wurde.

Definierte Bedingungen für empfindliche Produkte

Gerade beim Verpacken von empfindlichen Produkten in der Lebensmittelindustrie, aber auch bei der Arzneimittelherstellung, ist oft eine sehr niedrige Restfeuchte gefordert. „Viele Schüttgüter sind hygroskopisch und dadurch empfindlich gegenüber hohen Umgebungsfeuchten. Deshalb hilft es, die Luftfeuchtigkeit in der Produktumgebung zu reduzieren, so dass sie unter präzisen und kontrollierten und konditionierten Umgebungsbedingungen verarbeitet werden“, konkretisiert Schimmelmann. Soll eine lange Haltbarkeit der getrockneten Produkte erreicht werden, wie sie beispielsweise für pulverförmige Arzneimittel wie Impfstoffe gefordert wird, dann führt an einer definiert trockenen Umgebungsluft in der Produktion kein Weg vorbei.

Um sehr trockene Prozessluft zu erzeugen, reichen in den meisten Fällen konventionelle Methoden wie die herkömmliche Kondensation der Wassermoleküle an Kühlregistern bzw. Wärmeübertragern nicht mehr aus.„Wenn bei Produktionsverfahren, Verpackungs- und Lagerungsprozessen Erzeugnisse relative Feuchten von weniger als 50 % bei 21 °C (ca. 12.000 ppm) oder Taupunkttemperaturen von weniger als 10 °C gefordert werden, wird es in verfahrenstechnisch und thermodynamischer Hinsicht spannend. In diesen Bereichen der Prozesslufttrocknung besteht derzeit eine nur sehr übersichtliche Auswahl an Anlagen, die in der Lage sind, diese sehr niedrigen Restfeuchtegehalte überhaupt zu erzeugen“, weiß Schimmelmann: „Dann sind zusätzliche sorptive Prozesse notwendig.“

Die Sorptionstrockner sind modular aufgebaut – dadurch lässt sich das System an den Bedarf und an die Platzverhältnisse anpassen. (Bild: ULT Dry Tec)

Adsorptionsrad greift Feuchte aus der Luft

Beim sorptiven Prozess werden Wassermoleküle an einem Adsorptionsmittel angelagert. Die zu trocknende Luft wird dazu über wasserbindende Stoffe wie Kieselgel oder Zeolithe geleitet. In der Praxis wird der feuchte Luftstrom durch ein langsam rotierendes, mit Adsorptionsmittel beschichtetes Sorptionsrad geleitet und getrocknet. Auf der Gegenseite wird das wabenförmige Rad kontinuierlich mit vorgewärmter Luft im Gegenstrom mit bis zu 130 °C regeneriert. Je effektiver die Adsorption und wirkungsvoller die Desoption des Sorptionsrades, desto tiefer sind die Taupunkttemperaturen am Austritt des Sorptionsrades.

ULT Dry-Tec hat dazu ein Modul-System entwickelt, das auch mit Vor- und Nachkühlermodulen des Herstellers erweitert werden kann. So ist es möglich, im Umluft-Betrieb eine Prozessfeuchte von weniger als 10 Teilen Wasser pro 1 Mio. Teilen Luft (ppm) zu erreichen, was weniger als 0,05 % relativer Feuchte bei 21 °C entspricht. „Oft werden diese niedrigen Feuchtigkeitsanforderungen bei sensiblen Produkten der pharmazeutischen Industrie gestellt, um eine gleichbleibende und stabile, aber auch eine sterile Produktqualität in der Produktionsumgebung zu erzielen“, betont der Trocknungsexperte.

Der modulare Aufbau der Anlage hat dabei deutliche Vorteile, weil die Anlage und deren Energiebedarf dadurch vergleichsweise einfach an die im Prozess geforderte Luftqualität angepasst werden kann.

Frank Schimmelmann: „Zur ULT-Dry-Tec-Produktmodulserie gehören das Sorptionsmodul ULT Dry-Tec, welches für die eigentliche Adsorption und Desorption innerhalb des Systems eingesetzt wird. Darüber hinaus bieten wir das Vorkühlermodul ULT Cool-Tec V und das Nachkühlermodul ULT Cool-Tec N für verschiedenen Größen für unterschiedliche Volumenströme an.“ Die Vor- und Nachkühlermodule können optional mit unterschiedlichen Filterelementen entsprechender Filterklassen ausgerüstet werden. Damit erreicht der komplette Trocknungsprozess die geforderte niedrige relative Feuchte und auch der Prozessluftstrom am Ein- oder Austritt der Modulanlage bleibt so nahezu partikelfrei.

Weitere Bestandteile des modularen Entfeuchtungskonzepts sind regelbare EC-Ventilatoren oder mit Frequenzumrichter ausgestattete Ventilatoren für den Prozessluftstrom und den Regenerationsluftstrom. Für eine hohe Energieeffizienz sorgt ein Luft-Luft-Wärmerückgewinnungssystem. Denn die wärmetechnische Verschaltung – so Frank Schimmelmann im P+F-Interview – ist der Schlüssel zur Energieeffizienz.

 Interview mit Frank Schimmelmann, Geschäftsführer ULT Dry-Tec

Frank Schimmelmann

Module schaffen Flexibilität
P+F: Warum wird es in der Pharma- und Lebensmittelproduktion immer wichtiger, die Prozessluft zu entfeuchten?
Schimmelmann: Viele in der Pharma- und Lebensmittelindustrie verarbeiteten Schüttgüter sind empfindlich gegenüber hoher Umgebungsfeuchte. Wichtig ist zumeist, dass sich an den pulverförmigen Produkten kein Kondensat anlagert, bevor diese luftdicht verpackt werden. Das Verpacken unter trockenen Bedingungen stellt sicher, dass die Produkte qualitativ und auch optisch einwandfrei bleiben.

P+F: Sie setzen zur Prozessluft-Trocknung ein sorptives Verfahren ein. Warum reicht die einfache Kondensationstrocknung oder Raumluftentfeuchtung nicht aus?
Schimmelmann: Wenn bei Raumtemperatur eine relative Feuchte unter 50 % oder ein Taupunkt kleiner 10 °C gefordert wird, dann ist das mit Kondensationstrocknern, die mit Kühlmedium zumeist mit einer Vorlauftemperatur von 6 °C betrieben werden, nicht mehr möglich. Mit unseren Rotationsentfeuchtern und den Vor- und Nachkühlmodulen erreichen wir Taupunkte bis -60 °C. So können wir auch für Sterilprozesse eine hochwertige und stabile Produktionsumgebung sicherstellen.

P+F: Die Entfeuchtung großer Luftströme ist ein energieintensiver Prozess. Wie wichtig ist dabei die Energieeffizienz?
Schimmelmann: Das ist ein sehr wichtiges Thema. Für die Regeneration wird der Luftstrom auf 130 °C aufgeheizt – das kostet viel elektrische Energie. Ab einer Leistung von etwa 5.000 Kubikmeter pro Stunde lohnt es sich, über eine Gasheizung nachzudenken. Diese ist in der Investition etwas teurer, aber im Betrieb bis zu 30 % günstiger. Wenn Sattdampf vorhanden ist, kann die Regenerationsluft auch damit aufgeheizt werden. In der Pharmaindustrie liegen die Leistungen typischer Weise zwischen 200 und 3.000 Kubikmetern aufbereiteter trockener Prozessluft pro Stunde. In Lebensmittelbetrieben werden auch 10.000 Kubikmeter pro Stunde und wesentlich mehr erreicht. Unsere Anlagen werden bis 10.000 Kubikmeter pro Stunde eingesetzt. Für höhere Leistungen bauen wir mehrere Anlagen nebeneinander.
Außerdem ist die wärmetechnische Verschaltung ein Schlüssel zur pro zur Energieeffizienz. Deshalb nutzen wir die warme Abluft aus der Regeneration, um die frische Regenerationsluft dementsprechend vorzuheizen.

P+F: Weshalb haben Sie Ihr System modular aufgebaut?
Schimmelmann: Im Wesentlichen geht es um die Einbringung in bestehende Gebäude und um die Aufstellfläche: Die Module können übereinander, weit auseinander oder nebeneinander aufgebaut werden, das schafft sehr viel Flexibilität für den Betreiber. Vor- und Nachkühler können immer auch optional eingesetzt werden. Der Nachkühler wird nur dann benötigt, wenn die entfeuchtete Prozessluft konditioniert sein muss.

ZUM HINTERGRUND

Grundbegriffe zur Luftfeuchtigkeit
Die relative Luftfeuchtigkeit gibt an, wie viel Prozent des maximalen Wasserdampfgehaltes die Luft im Augenblick enthält. Da der maximale Wasserdampfgehalt mit steigender Temperatur ansteigt, fällt die relative Luftfeuchtigkeit mit steigender Temperatur (und umgekehrt). Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % enthält die Luft nur die Hälfte der Wasserdampfmenge, die bei der entsprechenden Temperatur maximal enthalten sein könnte. Der Wasseranteil der Luft in Teilen pro Million (ppm) gibt die Zahl der Wassermoleküle je einer Million Teilen Luft an. Die Taupunkttemperatur ist definiert als die Temperatur, bei der der aktuelle Wasserdampfgehalt in der Luft der maximale (100% relative Luftfeuchtigkeit) ist. Die Taupunkttemperatur (Tp) ist damit eine von der aktuellen Temperatur unabhängige Größe. Aus Temperatur und relativer Luftfeuchte bzw. Temperatur und Taupunkt lässt sich auch der absolute Feuchtegehalt der Luft in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter (g Wasser/m³ Luft) berechnen.

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