{{{sourceTextContent.title}}}

Verhinderung von Oxidation durch versiegelte Zentrifugen und Inertgas-Spülung

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

In diesem Whitepaper wird erläutert, wie technisch abgedichtete Dekanterzentrifugen, die mit Inertgas gespült werden, die Effizienz und Sicherheit bei der Entwässerung und Trennung sauerstoffempfindlicher Materialien verbessern.

{{{sourceTextContent.description}}}

Traditionell wurden Feststoffe und Flüssigkeiten durch Filtration oder mit Pressanlagen getrennt. Diese Methoden sind zwar wirksam, doch moderne automatisierte Trenntechnik bietet eine hervorragende Alternative für eine schnellere Trennung und einen effizienteren Ansatz. Viele Produkte sind anfällig für Oxidation. Die Beseitigung oder zumindest Minimierung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre innerhalb des Trennsystems ist unerlässlich, um Produktqualität, Haltbarkeit und Wirksamkeit zu gewährleisten.

Geschlossene Zentrifugal-Trennsysteme, die mit Inertgas gespült werden, können sicher und effektiv eingesetzt werden, ohne dass eine Sauerstoffbelastung auftritt. Zu den Anwendungsbereichen, in denen geschlossene, mit Inertgas gespülte Zentrifugen zum Einsatz kommen, gehören:

Speiseöle und -fette (z. B. Olivenöl, Samenöle, tierische Fette)
Obst- und Gemüsesäfte
Bierklärung
Pflanzen- und Algenextrakte
Arzneimittel

Wie werden Zentrifugen abgedichtet?
Überdruck. Diese Methode kann nur bei Anlagen angewendet werden, die für Überdruck ausgelegt sind. Die Luft im Inneren wird entfernt, indem kontinuierlich Hochdruck-Inertgas in die abgedichtete Anlage eingeleitet und wieder abgelassen wird. Dieser Schritt wird wiederholt, bis die Sauerstoffkonzentration im Inneren der Anlage den gewünschten Wert erreicht hat. Anschließend wird der Innendruck bei laufender Anlage auf einem höheren Differenzdruck als dem atmosphärischen gehalten (wobei dieser Betriebsdruck jedoch immer noch deutlich niedriger ist als der während der Inertisierung verwendete).
Vakuum. Die gesamte Luft im Inneren der Anlage wird durch Evakuieren der Anlage entfernt. Anschließend wird das Vakuum durch Spülen mit Inertgas aufgehoben. Je nach Anlage muss dieser Vorgang ein- oder zweimal wiederholt werden. Für diesen Prozess sind Anlagen erforderlich, die für das Halten eines Vakuums ausgelegt sind.
Durchflussspülung: Diese Methode wird für Anlagen, Maschinen, Behälter und Geräte verwendet, die nicht für hohen Überdruck oder Vakuum ausgelegt sind. Dabei wird Inertgas an einer Stelle des geschlossenen Systems in die Anlage eingeleitet und gleichzeitig an einer anderen, von der Einlassstelle entfernten Stelle wieder abgelassen. Typischerweise gibt es eine Vorreinigungssequenz mit höheren Durchflussraten und eine Spülsequenz während des normalen Betriebs der Anlage.

Die in diesem Beitrag behandelten Zentrifugensysteme nutzen eine Variante der dritten Methode, der kontinuierlichen Spülung. Es ist zudem wichtig zu beachten, dass kontinuierlich gespülte Zentrifugensysteme „technisch dicht“ sind, was sich von einer hermetischen Abdichtung unterscheidet. Ein hermetisch abgedichtetes Gerät weist eine Lecktoleranz von Null auf, während die „Dichtheit“ in einem technisch dichten System aufgrund seiner Konstruktion, Funktion usw. nicht dauerhaft gewährleistet werden kann.

Ein Konstruktionskonzept, das sich an viele Anwendungen anpasst
Das grundlegende Konstruktionsprinzip zur Verhinderung von Oxidation kann an bestimmte Materialien und Bedingungen angepasst werden. Die Luft im Inneren der Zentrifuge wird durch ein Inertgas, in der Regel Stickstoff oder Kohlendioxid, ersetzt. Dies bildet eine Abdichtung, die Sauerstoff fernhält und die für die Verarbeitung des Materials erforderliche Atmosphäre aufrechterhält.

Die richtige Innenatmosphäre bedeutet höhere Produktqualität und Sicherheit

Der Kontakt mit Luftsauerstoff im Inneren der Zentrifuge kann zu Oxidation und in der Folge zu Produktzerfall oder Qualitätsverlust führen. Das Ziel eines abgedichteten Zentrifugensystems ist es, die gewünschte Grenzkonzentration für Sauerstoff (LOC) im Dekanter-System zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Es gibt zwei Schritte zur Schaffung einer Innenatmosphäre, die der gewünschten Zusammensetzung entspricht: die Vorreinigung und die Inertgasbefüllung.
Der Vorreinigungsschritt erfolgt vor dem Start der Maschine. Der Innenraum der Zentrifuge wird mit Inertgas (z. B. Kohlendioxid oder Stickstoff) gespült, um den Sauerstoff zu verdrängen. Dies geschieht, indem das Gehäuse befüllt wird, bis der Druck 0,290 PSI übersteigt, und wird so lange fortgesetzt, bis der Inertgasstrom das Innenvolumen der Zentrifuge mehrfach ersetzt hat oder bis ein Sauerstoffsensor die erforderliche Sauerstoffkonzentration anzeigt – oder beides. Die dafür benötigte Zeit variiert je nach Größe der Zentrifuge, beträgt jedoch in der Regel weniger als 30 Minuten.

Nach dem Spülen wird das Innere der Zentrifuge mit dem Inertgas „umhüllt“, wodurch eine technisch dichte Abdichtung entsteht. In diesem Schritt wird das System auf einem leichten Überdruck gehalten. Dies führt zu einem konstanten Differenzdruck zur Atmosphäre, wodurch verhindert wird, dass die Außenatmosphäre in das Innere eindringt.

Wichtig ist, dass das Inertgasversorgungssystem über eine ausreichende Redundanz verfügt, um die kontinuierliche Verfügbarkeit von Gas während der Stillstandszeiten der Zentrifuge im Falle eines Ausfalls zu gewährleisten.

So funktioniert ein Spül- und Inertgas-Umschließungssystem
Zur Berechnung der Gasmenge, die erforderlich ist, um das Volumen der Dekantertrommel zu verdrängen, wird eine standardmäßige mathematische Formel verwendet. Sobald ein ausreichendes Volumen verdrängt wurde und sichere Betriebsbedingungen erreicht sind, gilt das System als betriebsbereit (d. h. inert).

Eine Dichtung, bestehend aus mehreren Dichtungsringen, trennt den Innenraum der Zentrifuge von der Außenatmosphäre. Durch den Einsatz mehrerer Dichtungselemente, einschließlich zusätzlicher Dichtungen an Wellendurchführungen und Gehäusen, wird eine technisch dichte Abdichtung geschaffen. Dies reduziert zudem den Inertgasverbrauch, da die Dichtungen dazu beitragen, Verluste im gesamten System auf ein Minimum zu beschränken.

Inertgas wird zwischen die Dichtungsringe geleitet. Es strömt durch schmale Dichtungsöffnungen sowohl in den Innenraum als auch in die Umgebungsatmosphäre. Dies ist nur möglich, wenn der Druck an der Dichtfläche höher ist als der Druck im Dekantergehäuse (> 0,290 PSI) und in der Umgebungsatmosphäre. Der Differenzdruck (0,725–1,45 PSI) zwischen dem Gehäuse und der Gaszufuhrstelle wird überwacht und geregelt. Die Dichtungen werden unter Druck gesetzt, wodurch verhindert wird, dass Sauerstoff in das System eindringt.

Sauerstoffüberwachungssensoren vs. kontinuierliche Spülsysteme
Die Sauerstoffkonzentrationen im Inneren lassen sich auf zwei Arten regeln: mit Sauerstoffsensoren oder einem kontinuierlichen Spülsystem. Sauerstoffsensoren überwachen die Sauerstoffkonzentration im Inneren des Zentrifugengehäuses. Ein Vorteil dieser Sensoren ist die kontinuierliche Überwachung, die sie bieten, insbesondere wenn der Differenzdruck zwischen dem Gehäuseinneren und der Atmosphäre < 0,290 PSI beträgt.

Sauerstoffsensoren liefern direkte Informationen über das Risiko, das von der Sauerstoffkonzentration ausgeht. Im Gegensatz dazu arbeitet ein kontinuierliches Spülsystem indirekt und stützt sich auf die Sollwerte von Drucksensoren. Solange der Überdruck an den Dichtungen bzw. am Gehäuse aufrechterhalten wird, kann kein Sauerstoff aus der Umgebung in das System eindringen und die Sauerstoffkonzentration wird unter dem kritischen Wert gehalten. Dies geschieht mithilfe von Durchflussmessern und Manometern.

Da kontinuierliche Durchflusssysteme jedoch auf die Sollwerte der Drucksensoren angewiesen sind, kann es bei Anwendungen, die niedrigere Differenzdrücke erfordern, zu fehlerhaften Systemabschaltungen kommen. In diesen Fällen können Sauerstoffsensoren eine empfindlichere Überwachung dieses Gefahrenbereichs ermöglichen.

Beide Methoden gewährleisten einen sicheren Betrieb, sofern sie ordnungsgemäß geplant, installiert und gewartet werden. Leider ist die Schwachstelle bei einem Sauerstoffsensor der Sensor selbst, der eine SPS-Programmierung, Kalibrierung, regelmäßigen Austausch und Wartung erfordert. Insgesamt bietet die kontinuierliche Durchspülung im Vergleich zur Sauerstoffüberwachung eine bessere Netto-Nutzbarkeit.

Eine sichere, effiziente Lösung für die Trennung
Die Verwendung eines Inertgases zur Bildung einer hermetisch abgeschlossenen oder gespülten Zentrifuge ist eine hervorragende Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem in der Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie.

Nach der Inbetriebnahme sollte ein Zeitplan für Dichtheitsprüfungen erstellt und regelmäßig durchgeführt werden, um die Dichtheit der Spüleinheit zu überprüfen. Zu den routinemäßigen Wartungs- und Prüfpunkten gehören Manometer, Durchflussmesser und Schläuche. Auch die Versorgungsleitungen müssen in regelmäßigen Abständen auf Beschädigungen, Verstopfungen und Dichtheit überprüft werden.

Zentrifugen sind äußerst effizient, weisen einen höheren Durchsatz als Filter oder Pressen auf und arbeiten im Dauerbetrieb, anstatt wie Filter oder Pressen chargenweise. Mit einer gespülten Zentrifuge lassen sich zwei Phasen, drei Phasen oder eine sehr leichte Emulsion trennen. Viele Systeme sind zudem vollautomatisiert, was den Zeitaufwand des Bedienpersonals für die Überwachung der Maschine reduziert.

Über den Autor

Lee Betkowski ist seit 13 Jahren Branchenmanager für die Biotech-, Chemie- und Pharmabranche (BCP) bei Flottweg. Zuvor war er bei Krauss Maffei (Schieber- und Schälzentrifugen, Trockner), Rosenmund (Filtertrockner) und De Dietrich (Glaslinien-Stahlanlagen) tätig. Er verfügt über fast 30 Jahre Erfahrung in der Biotech-, Chemie- und Pharmaindustrie, vorwiegend im Bereich Zentrifugen.