Membranventile mit Rohrumformgehäuse für Pharma-, Food- und Kosmetikindustrie

19.11.2021
Bei der Herstellung von Arzneimitteln, Kosmetika, Lebensmitteln und Getränken sind Membranventile unabdingbar, vor allem wenn es um sterile Prozesse oder pharmazeutische Anwendungen geht. Die meist üblichen Membranventile mit herkömmlichen Schmiede- oder Gussgehäuse verbrauchen aber nicht nur bei der Herstellung recht viel Energie, sondern bei SIP-Prozessen werden auch große Mengen teuren Reinstdampfes benötigt.
Membranventile mit Rohrumformgehäuse für Pharma-, Food- und Kosmetikindustrie

Das innovative Hydroform-Gehäuse in Kombination mit unterschiedlichen Membranventil-Antrieben. (Bildquelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, in der produziert werden kann, da sich die Gehäuse wegen ihrer hohen thermischen Masse nur langsam erhitzen und abkühlen. Innovative, deutlich leichtere Rohrumformgehäuse sind hier eine praxisgerechte Alternative.

Nachhaltigkeit, möglichst geringe Betriebskosten und hohe Anlagenverfügbarkeit sind heute in der Pharma-, Food- und Lebensmittelbranche zentrale Themen (Bild 1). Alle in den Anlagen verbauten und an den Prozessen beteiligten Komponenten müssen dazu beitragen. Das gilt auch für die unzähligen Membranventile, die vor allem in sterilen und pharmazeutischen Anwendungen im Einsatz sind und strenge Hygieneanforderungen und -normen erfüllen müssen. Die Fluidikexperten von Bürkert Fluid-Control Systems (vgl. Firmenkasten) beschäftigen sich deshalb schon seit vielen Jahren intensiv mit der Optimierung der Gehäusetechnik für entsprechende Membranventile. Heute sind die Rohrumformgehäuse (Tube Valve Body) bereits in der 3. Generation auf dem Markt und dank der Anwendungserfahrung der Fluidikexperten perfekt an ihren Einsatzbereich in Pharma-, Food- und Kosmetikindustrie angepasst (Bild 2). Ohne Schweißnähte im Membran-Medienbereich und mit hoher Oberflächenqualität sind die Membranventile vom Typ 2103 mit ELEMENT-Aktor und Steuer- bzw. Rückmeldekopf mittlerweile technisch den herkömmlichen Schmiedegehäusen mehr als ebenbürtig (Bild 3). Sie erfüllen die anspruchsvollen Regularien der Branche und können vor allem wesentlich dazu beitragen, die Betriebskosten zu senken und die verfügbare Produktionszeit zu erhöhen.

Ein Stück Rohr als Gehäuse
Die Grundlage dafür liefert ein spezielles Fertigungsverfahren: Die innovativen Membranventilgehäuse werden im Rohrumformverfahren, auch bekannt unter dem Begriff Hydroforming, hergestellt. Das heißt, ein metallisches Rohr wird in einem geschlossenen Werkzeug mit Innendruck in mehreren Schritten inklusive Wärmebehandlung zum Ventilgehäuse geformt. Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand. So können beispielsweise für die Hydroform-Gehäuse der Ventile die gleichen Rohrmaterialien verwendet werden, die in der Anlage eingesetzt sind. Montage oder Schweißoperationen wie bei einer Halbschalenbauweise sind nicht mehr notwendig. Das spart die sonst üblichen Montage- oder Schweißoperationen und die Gehäuse wiegen kaum mehr als ein Rohr gleicher Länge (Bild 4).

Auch die große Präzision und Wiederholgenauigkeit bei der Fertigung sprechen für das Verfahren. Die daraus resultierende hohe Produktqualität ist ein entscheidendes Kriterium; schließlich ist die zuverlässige Funktion der Membranventile im späteren Betrieb ausschlaggebend für die Prozesssicherheit in der Anwendung. Dazu gehört natürlich auch die durchgängige Dokumentation während des Fertigungsprozesses und Zertifizierung für den jeweiligen Einsatzbereich.

Robustes Leichtgewicht
Das Hydroform-Gehäuse ist zudem ausgesprochen robust. Sein Design entspricht den Anforderungen der ASME-BPE 2014 und es hält schnellen Temperaturwechseln zwischen heißem Dampf und kaltem Wasser sowie langzeitigen Vibrationen stand. Zudem berührt das Medium nur die Membrane und den pharmatauglichen Rohrabschnitt, aus dem das Gehäuse geformt wird. Dieser ist identisch mit den anderen, in den Anlagen eingesetzten Rohrelementen und erfüllt die jeweiligen geltenden Normen. Im Gegensatz zu Gussgehäusen entstehen bei der Fertigung keine Lunker oder andere Unreinheiten, die immer ein Kontaminationsrisiko oder Fertigungsausschuss bedeuten. Bei der Montage im Rohrsystem wird zudem die hygienischste aller Verbindungen möglich: eine Rohr-zu-Rohr-Verschweißung. Hier kann sich nichts festsetzen und die Reinigung ist genauso einfach wie die des Gesamtrohrsystems.

Auch die Gewichtseinsparung ist beachtlich. Die Rohrumformgehäuse haben dadurch auch eine erheblich geringere thermische Masse als Schmiede- und Gussvarianten (Bild 5), ein Vorteil der umso deutlicher wird, je größer die Nennweite ist. Bei einem 2-Zoll-Ventil beispielsweise kann die Gewichtsreduktion bis zu 75 % betragen. Die Gehäuse heizen sich dadurch schneller auf und kühlen auch schneller wieder ab, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Bei einer Temperaturdifferenz von 100 K pro SIP-Zyklus können sich Einsparungen von über 50 % ergeben. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der CIP-/SIP-Prozesse pro Jahr, ergeben sich je nach Anlage beachtliche Kosteneinsparungen. Die Produktion wird nachhaltiger; der CO2-Fußabdruck des Herstellungsprozesses reduziert sich.

Schneller Reinigen und weniger Stress für die Membranen
Gleichzeitig steigt die Produktivität der Anlage, da sich durch den schnellen Aufheiz- und Abkühlprozess die Nebenzeiten für die Reinigung verkürzen. Je öfter gereinigt werden muss, desto mehr profitiert der Anwender davon. Das geringere Gewicht der Membranventile hat aber noch einen weiteren Effekt: Da die Ventile durch die vergleichsweise geringe thermische Masse sich bei den CIP-/SIP-Prozessen schneller aufheizen und abkühlen, reduziert sich auch der thermische Stress für die temperaturempfindlichen Membranen. Sie halten deutlich länger als das bei anderen Gehäuseausführungen üblich ist. Je nach Anwendung kann ihre Lebensdauer dadurch mehr als verdoppelt werden, was die notwendigen Servicezyklen deutlich verlängert.

Schlussendlich haben die Membranventile im Rohrumformgehäuse auch für die Anlagenbauer einen nicht zu unterschätzenden Nutzen. Anders als bei Schmiede- oder Gussgehäusen müssen sie in den meisten Fällen keine zusätzlichen Abstützungen für die Ventile vorsehen, was Konstruktion und Montage deutlich erleichtern kann, Arbeit spart und damit ebenfalls die Kosten senkt.

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