Sterile Tankbelüftungsfilter im Hygiene- und Lebensmittelprozess

Dabei ist eine sterile Be- und Entlüftung der Lagertanks unerlässlich. Hydrophobe, hochporöse PTFE-Membranfilterkerzen sorgen als Tankbelüftungsfilter während des Füll- und Entleerungsprozesses für einen sicheren Druckausgleich und schützen dabei die Produkte im Tank vor Verunreinigungen und Bakterien.

Beim Befüllen fördert die Zulaufpumpe Flüssigkeit in den Behälter. Für den Druckausgleich ist am Tank ein Belüftungsstutzen angebracht. Ohne eine Entlüftung im Behälter würde sich das darin enthaltene Gas oder Gas-Luftgemisch komprimieren und der Druck im Lagertank könnte sich im Extremfall bis zum irreversiblen Verformen oder gar Bersten des Tanks erhöhen. Die Überdruckfestigkeit eines Tanks ist abhängig vom gewählten Werkstoff (Kunststoff oder Edelstahl), von der Wanddicke sowie von der Höhe und dem Durchmesser des Behälters. Die Druckerhöhung lässt sich wissenschaftlich mithilfe der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase (p*V = m*R*T) erklären: Das Produkt von Druck und Volumen ist proportional zur Masse und zur Temperatur – R ist die Gaskonstante. Dabei spielt es keine Rolle, ob Luft oder ein Schutzgas im Tank ist, welches das Produkt gegen mögliche Oxidationsreaktionen schützt.

Beim Abpumpen des Produkts aus dem Lagertank wird Flüssigkeit aus dem Behälter entnommen. Die im Tank enthaltene Luft würde ohne ein Nachströmen von Luft nach der allgemeinen Gasgleichung einen Unterdruck erzeugen. Die Unterdruckfestigkeit eines Lagertanks gegen elastisches oder plastisches Einbeulen bestimmt sich durch die gleichen Parameter wie beim Überdruck. Im schlimmsten Fall würde sich der Tank dabei zusammenziehen und irreversibel verformen. Aufgabe des sterilen Tankbelüftungsfilters ist es hier, Luft ein- und ausströmen zu lassen, ohne dass sich durch den Druckwiderstand des Filters ein Unterdruck oder ein Überdruck im Behälter aufbaut und ohne dass dabei ein unerwünschter Austausch von Verunreinigungen, Keimen und Bakterien stattfindet. Weil sich in einem Tank das Luftpolster aus physikalischen Gründen immer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bildet, sitzt die sterile Tankbelüftung oben am Lagertank oder zumindest oberhalb des maximal möglichen Füllstandes. Die sterile Tankbelüftung besitzt Anschlüsse für den Stutzen am Lagertank und zur Aufnahme des Filterelements. Das Filterelement ist durch eine Schutzglocke (Kerzenfiltergehäuse) oder einen Dom vor Verschmutzung von oben geschützt.

PTFE-Membran-Filterkerzen sorgen durch die hydrophoben Eigenschaften des Materials für einen sicheren Druckausgleich. (Bild: Wolftechnik)

Hydrophobe Membranmaterialien schützen vor Schwitzwasser

Ein Problem beim Befüllen von Tanks ist sogenanntes Schwitzwasser. Oft werden flüssige Produkte im Prozess gekühlt und dann noch kalt in die Lagertanks abgefüllt. Im Sommer sind Behälter und Umgebungsluft warm. Aufgrund des Temperaturunterschiedes kommt es zu einer Kondensation an der Außenseite der Behälterwand. Wassertropfen bilden sich an der Oberfläche des Behälters und auch an der Außenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters. Gleiches geschieht, wenn warme oder heiße Flüssigkeit in den Lagertank gepumpt wird. Hier bildet sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und der Umgebungsluft sowie dem Lagertank Kondensationswasser im Innern des Behälters und auf der Innenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters. In beiden Fällen kann die Kondensationsflüssigkeit die Durchströmbarkeit des sterilen Tankbelüftungsfilters mit Luft stark beeinträchtigen. Dringt das Kondensat zudem in die Poren des Filterelements ein, kann keine Luft mehr durch den Filter strömen, da seine Poren mit dem eingedrungenen Wasser verblockt sind. Ist das der Fall, könnte über das sterile Tankbelüftungsfilter kein Druckausgleich mehr stattfinden, was verheerende Folgen nach sich ziehen kann.

Hydrophobe, also wasserabweisende Filtermaterialien verhindern, dass Kondensate die Durchströmung des sterilen Tankbelüftungsfilters beeinträchtigen können. Als hydrophobe Filtermaterialien eignen sich Membranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besonders gut. Das Membranmaterial besitzt eine hochporöse Struktur und eine homogene Porenverteilung. Garne aus PTFE-Fasern sind wegen ihrer Wasser abweisenden aber dampfdurchlässigen Materialeigenschaften zum Beispiel als Gewebe für Outdoor- und Skijacken sowie Zelte bekannt. Diese Materialeigenschaft wird beim sterilen Tankbelüftungsfilter ausgenutzt. Die Kondensattröpfchen bleiben an der Oberfläche der Membranen liegen und dringen nicht in die Poren der PTFE-Membrane ein. Vielmehr perlen sie ab und tropfen zurück in den Behälter oder werden über einen Kondensatablass-Schlauch außen am Lagerbehälter abgeführt. Eine tropfende, sterile Tankbelüftung ist deshalb ein gutes Zeichen.

PTFE-Membranfilterkerzen von Wolftechnik bieten Filterfeinheiten von 0,05 μm bis 1,0 μm. Die Filterfläche beträgt 0,9 m²/10“-Element. Dies sorgt für eine lange Standzeit und eine hohe Schmutzaufnahmekapazität sowie für niedrige Differenzdrücke auch bei großen Durchsatzleistungen. Die zugehörigen Gehäuse sind aus Polypropylen (PP) oder Edelstahl gefertigt. Die zweiteilige Konstruktion besteht aus einer abschraubbaren Haube und dem Aufnahmeteil mit Tankstutzenanschluss als GF-Verschraubung DN40. Die Auslegung steriler Tankbelüftungsfilter richtet sich nach dem maximal zulässigen Differenzdruck für den Lagertank. Diese liegen meist bei 10 oder 25 mbar. Bezogen auf etwa 1m² PTFE-Membranfiltermaterial bei einer Filterfeinheit von 0,2 µm ist mit einer Gasdurchströmung von etwa 10 Nm³/h bei 10mbar beziehungsweise 25 Nm3/h bei 25 mbar zu rechnen.