Nie mehr falsch verbunden

Rohrverschraubungen für höhere Hygiene und leichtere Sterilisierung

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25.10.2018 Rohrverbindungen kommen in jeder Anlage der Pharma- und Lebensmittelindustrie zu Hunderten oder gar Tausenden vor. Umso überraschender ist es, dass der übliche Optimierungsprozess im Anlagenbau an diesen weitgehend vorbeigegangen ist.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Konventionelle Verschraubungen, wie Aseptikverbindungen nach DIN 11864 sind zwar in der Pharma- und Lebensmittelindustrie weitverbreitet, weisen aber nach heutigen Maßstäben keine optimalen Eigenschaften auf.
  • Die CNC-Fertigung ermöglicht deutlich kleinere Geometrien und Massen der Verschraubungen sowie der darin eingesetzten Dichtungs-O-Ringe.
  • Dies reduziert Toträume und die vom Medium angegriffenen Flächen der Dichtungen. Außerdem lassen sich Vorteile beim Sterilisierungsprozess und dem Schutz vor Beschädigungen erzielen.
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Masse, Oberfläche und Toträume der entwickelten Rohrverschraubungen (l.) sind deutlich geringer als bei Verschraubungen nach DIN 11864. (Bilder: Liquitec)

Dabei gibt es mittlerweile Armaturen, die etwa den vielerorts eingesetzten Aseptikverbindungen nach DIN 11864 nicht nur in Sachen Hygiene überlegen sind.

Was bei den konventionellen Verschraubungen besonders ins Auge sticht, sind die großzügigen Ausmaße der O-Ringe. Diese lassen zwar bei der Herstellung der Edelstahlteile große Toleranzen zu. Während das vor 20 Jahren noch sinnvoll gewesen sein mag, sind im Zeitalter der CNC-Fertigungstechnik nur noch Bruchteile dieser Toleranzen für einen sicheren Herstellungsprozess ohne Ausschuss tatsächlich notwendig. Bei einer DIN-11864-Rohrverschraubung ist bei Raumtemperatur eine Fläche von 274 mm² des O-Rings dem Medium ausgesetzt. Besonders aggressive Substanzen, wie Reinstwasser (WFI), können so das Elastomer der Dichtung schnell auswaschen und die Dichtung abnutzen. Ein weiteres Problem, das durch große Ausmaße der  O-Ringe entsteht, sind Toträume. Berechnungen zeigen, dass der O-Ring einer DIN-11864-Rohrverschraubung mit ISO-25-Abmessungen schon bei einer Temperatur von 20 °C einen Totraum von 34 mm³ zulässt. Dies schafft viel Raum für die Ablagerung von Keimen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl und O-Ring-Elastomer verschlechtert sich die Situation bei steigender Temperatur noch drastisch. Bei einer Temperatur der Verschraubung von 140 °C etwa drückt es den O-Ring aus der Nut der Sterilverbindung heraus. Dieser Bereich des herausgequollenen O-Ringes hindert das Medium daran, aus der Rohrleitung zu laufen. Ein noch größerer Totraum entsteht.

Das nächste Problem konventioneller Verschraubungen ist die große Masse. Während ein gerades Stück Rohrleitung der DN 25 nur wenige zehn g auf die Waage bringt, wiegt die komplett aus Edelstahl gefertigte Verschraubung auf gleicher Länge über 500 g. Bei der Sterilisation wird die notwendige Temperatur und Erwärmungsdauer in der Rohrleitung so schon längst erreicht, wenn die Verschraubung und der Bereich um die Verschraubung herum noch viel kühler sind. Die große Oberfläche zur Umgebung verstärkt dieses Problem noch zusätzlich, da sie viel Wärme abgibt. Es ist damit eine große Menge Energie erforderlich, um die 140 °C für den Sterilisationsprozess zu erreichen und zu halten. Ein weiteres Problem der geometrischen Gestaltung: Die Dichtflächen einer Standard-Verschraubung liegen – genauso wie die einer Clamp-Verbindung – völlig ungeschützt, wenn die Verbindung geöffnet ist. So kommt es leicht zur Beschädigung der empfindlichen Dichtungen, etwa beim Transport zum Autoklav.

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Die Armaturen sind aus Edelstahl 1.4435 gefertigt.

Reduzierte Geometrien für mehr Hygiene und weniger Energieeinsatz

Als Spezialist für steriltechnische Prozesskomponenten hat sich Liquitec darum bemüht, Rohrverbindungen zu entwickeln, die möglichst viele dieser Probleme lösen. Der O-Ring der Sterilverbindung bio-plus ist deutlich kleiner als bei seinem Pendant gemäß DIN 11864. Die vom Medium benetzte Fläche ist so um 65 % verringert, was die chemische Beanspruchung des Dichtungswerkstoffs entsprechend reduziert und damit die Lebensdauer des Elastomers entscheidend verlängert. Durch den geringeren Durchmesser reduzieren sich auch die Auswirkungen der Ausdehnungsproblematik bei steigender Temperatur. Eine besondere O-Ring-Geometrie in der Nut, die auf die Sterilisationstemperatur von 140 °C optimiert ist, unterstützt diesen Effekt. Der Totraum innerhalb der erwärmten DN-25-Verschraubung beträgt so lediglich 0,69 mm³ und damit 98 % weniger als das Totraumvolumen einer entsprechenden Verschraubung nach DIN 11864 bei Raumtemperatur. Auch die Masse und die Oberfläche der Verschraubung insgesamt sind deutlich reduziert. Mit 230 g wiegt die spezielle Rohrverbindung weniger als halb so viel wie der Standard. Auch die Kontaktfläche zur Umgebung ist um mehr als 50 % geringer. Der Energieeinsatz für die Sterilisation verringert sich somit um mehr als die Hälfte. Auch die Geometrie der Verschraubung wurde optimiert: Der O-Ring liegt geschützt innerhalb der Mutter – auch dann, wenn die Verschraubung offen ist. Ein Sprengring hinter der Mutter verhindert, dass der O-Ring oder dessen Dichtfläche mechanischen Beschädigungen ausgesetzt werden könnten. Auch auf der gegenüberliegenden Seite der Verschraubung ist die tief in der Senkung liegende Dichtfläche des O-Ringes gut geschützt.

3 Flansch- und Klemm_preview

Neben den Verschraubungen umfasst die Produktreihe auch Klemm- und Flanschverbindungen.

Die Armaturen sind aus Edelstahl 1.4435 BN2/AISI 316L gefertigt und SIP- bzw. CIP-tauglich. Die Produktreihe beinhaltet neben Schraub- auch Flansch- und Klemmverbindungen. Zudem sind auch Behälterblock- und Behälterklemmflansche verfügbar. Dabei lassen sich auch kundenspezifische Produkte oder Sonderanfertigungen kurzfristig realisieren. Außerdem gibt es Messgeräte-Technik mit entsprechenden Anschlüssen.

Heftausgabe: November 2018
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Über den Autor

Patrik Denoth ist CEO und Inhaber von Liquitec
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