Reine Luft hocheffizient aufbereitet

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1 Reine Luft hocheffizient aufbereitet Frankfurt/M. 27. Okt 2015 Dr.-Ing. Marc Schmidt Business Development Manager Pharma EMEA 0175/ AAF Lufttechnik GmbH Oberhausen

2 Atmosphärische Aerosole

3 Partikelgrößenverteilungen Massenanteil m Partikelgröße 10µm 0,1µm Größenverhältnis 100 : 1 Massenverhältnis : 1 Eine Million 0,1µm Partikel wiegen soviel wie ein 10µm Partikel!

4 Partikelabscheidung an Fasern

5 Filterportfolio Filterklassen gemäß EN779 & EN1822 Pollen Bacterien G1 G2 G3 G4 M5 M6 F7 F8 F9 E10 E11 E12 H13 H14 U15 U16 U17 Grobfilter mittlere Filter Feinfilter EPA-Filter HEPA- Filter ULPA-Filter Partikelkontamination reine Luft gasförmige Kontamination Adsorptionsmedien Behälter Anlagen Gerüche, Korrosion, Indoor Air Quality

6 3. Stufe: Endfiltration 2. Stufe: Feinfiltration 1. Stufe: Vorfiltration Klassifizierung von Luftfiltern Filterstufen Partikel Filtergruppe Filter Standard Filterklasse Grobstaub Feinstaub G M F EN779:2012 G1 (50% Am < 65%) G2 (65% Am < 80%) G3 (80% Am < 90%) G4 (90% Am) M5 (40% Em < 60%) M6 (60% Em < 80%) F7 (80% Em < 90%) F8 (90% Em < 95%) F9 (Em 95 %) mittlere Abscheidung von sythetischem Teststaub mittlerer* Trenngrad für 0,4µm Partikel E10 85 % Schwebstoffe E (EPA) H (HEPA) U (ULPA) EN1822:2009 E11 95 % E % H % H % U % U % mittlerer** Trenngrad für Most Penetrating Particle Size (MPPS) U % * darüherhinaus sind Minimalwerte einzuhalten (siehe EN779:2012). ** max. lokaler Trenngrad für Most Penetrating Particle Size (MPPS) darf etwas niedriger sein (siehe EN1822:2009).

7 Luftfilter in der Pharmaproduktion Vorfilter (z.b. Kompaktfilter F9) (z.b. Taschenfilter F7) HEPA Filter (z.b. H14) HEPA Filter Um-/Abluftfilter Prozessluftfilter (z.b. Hochtemperatur HEPA Filter, Entstaubungsfilter )

8 Kriterien für die Auswahl von Vorfiltern Hohe Filtrationseffizienz grosser Trenngrad Hohe Energieeffizienz geringer Druckverlust Lange Lebensdauer grosses Staubspeichervermögen

9 Trenngrad und Druckverlust von Tiefenfiltern T(x) = 1 exp { 4 Π 1 ε ε z D F φ x } T = Trenngrad x = Partikelgröße ε = Filterporosität z = Filterschichtdicke D F = Faserdurchmesser φ(x) = Einzelfaserauftreffgrad z T D F T ε T Δp (ε) = (1 ε) 1,5 ε Δ p Δp = Druckverlust

10 Trenngrad verschiedener Filterklassen

11 Feinstaubkonzentration Feinstaubkonzentration Feinstaubkonzentration 2-stufige Vorfiltration Feinstaub in der Außenluft PM 10 = 35 µg/m³ F9 2. Filterstufe: F 9 Feinstaub nach der Filterstufe IDA PM 10 = 0,2 µg/m³ PM 1 = 0,7 µg/m³ PM 2,5 = 0.3 µg/m³ F 7 F 9 M6 0, Partikelgröße [µm] PM 2,5 = 10 µg/m³ PM 1 = 3 µg/m³ 0, Partikelgröße [µm] F7 1. Filterstufe: F 7 Feinstaub nach der Filterstufe IDA PM 10 = 2,2 µg/m³ PM 1 = 1,3 µg/m³ PM 2,5 = 2,0 µg/m³ 0, Partikelgröße [µm]

12 Betriebsdruckdifferenz in Pa Staubspeicherfähigkeit F 7/F 9 F 9 F 7 Staubspeicherfähigkeit in Gramm

13 Energiebedarf Pharmaproduktion

14 Energiekosten in Klimaanlagen E j = q v p t K s η 1000 E j = jährliche Energiekosten ( ) q v = Luftvolumenstrom (m 3 /s) p = durchschnittlicher Druckverlust (Pa) t = jährliche Betriebszeit (h) η = Ventilatorwirkungsgrad (%) K s = Stromkosten ( /kwh)

15 Kosteneinsparung durch Taschenfiltertausch in 1. Filterstufe (F7) Austausch Taschenfilter reduziert durchschn. Druckverlust Δp um 40 Pa (von 105 Pa auf 65 Pa) Volumenstrom m³/h Druckverlustreduktion 40 Pa Betriebsstunden h Stromkosten 0,11 /KWh Wirkungsgrad 0,50 Energiekosteneinsparung 69,56

16 Kosteneinsparung durch Taschenfiltertausch in 2. Filterstufe (F9) Austausch Taschenfilter reduziert durchschn. Druckverlust Δp um 50 Pa (von 170 Pa auf 120 Pa) Volumenstrom m³/h Druckverlustreduktion 50 Pa Betriebsstunden h Stromkosten 0,11 /KWh Wirkungsgrad 0,50 Energiekosteneinsparung 86,96

17 Gesamte Kosteneinsparung durch Taschenfilteraustausch in 1. und 2. Filterstufe Einsparung 1. Filterstufe 69,56 Einsparung 2. Filterstufe 86,96 Sparpotenzial pro Einheit und Jahr 156,52 Jährliche Gesamteinsparung mit neuer Technologie: 1504 kwh / 410 kg CO 2 Kilometer, gefahren in durchschnittlichem Auto: 9% des Erdumfangs (gesamt km) Energieverbrauch Durchschnittshaushalt: 4 Monate Stromverbrauch (gesamt kwh) Zusatzliche CO 2 -Einsparungen durch Filterabfallreduzierung bei längerer Lebensdauer - Vergleichserechnungen basieren auf europäischen Durchschnittsdaten der International Energy Agency (IEA) und der European Environment Agency (EEA)

18 Kriterien für die Auswahl von HEPA Filtern Hohe Filtrationseffizienz grosser Trenngrad Hohe Energieeffizienz geringer Druckverlust Lange Lebensdauer hohe mechanische Stabilität Geringes Kontaminationsrisiko hohe mechanische Stabilität

19 PTFE Membran HEPA Filter vs. traditioneller HEPA Filter Unterschiede: Filtrationseffizienz Mech. Stabilität Filtermedium Energieeinsparung Verbesserungen: Prozessproduktivität Qualität Pharmaproduktion

20 Filtration efficiency (%) Filtrationseffizienz 0 0,0002 MPPS PTFE Membran HEPA: 0.07 µm 0,0004 0,0006 Penetration rate (%) class H14 flat media airflow of 2.6 cm/s Particle size (µm) MPPS traditioneller HEPA: 0.13 µm 0,0008 0,0010 Bestimmung MPPS gemäß: EN1822-5:2009 Anhang A, alternative Methode für Membranmedien mit MPPS < 0,1µm

21 Faserdurchmesser und Druckverlust PTFE Membran HEPA 10,000x Vergrößerung Nanofasern erzeugen Slip Flow bei Durchströmung = Höhere Filtereeffizienz und niedrigerer Druckverlust traditioneller HEPA 10,000x Vergrößerung µm µm bis zu 50% geringerer Druckverlust

22 Slip-Flow Effekt Niedriger Widerstand bei höherer Effizienz Konventionelle Filterfaser: 1.0 µm NELIOR Nanofaser: 0.2 µm = Luftmoleküle = kritische Partikel 1. NELIOR Membranstrukturen sind so fein, dass der größte Teil der Luftmoleküle beim Vorbeiströmen der Luft nicht mit der Faseroberfläche kollidiert. 2. Die Geschwindigkeit der Luftmoleküle wird kaum beeinflusst, so dass sie die Faser einfach passieren können: Slip-Flow - geringerer Druckverlust! 3. Wegen des Slip-Flow Phänomens passieren Partikel die Faseroberfläche in viel geringerem Abstand und können leichter abgeschieden werden 1. Der Luftstrom fließt an der Faser vorbei, wobei die Luftmoleküle mit der Faseroberfläche kollidieren und ein Luftpolster um die Faseroberfläche bilden (Grenzschicht) die Abscheideleistung reduziert sich! 2. Es wird mehr Energie benötigt um die Luft durch das Filter zu transportieren der Druckverlust ist vergleichsweise hoch! erhöhte Abscheideleistung! Quelle: Slip-flow air movement for nanometer-scale fibers, R.Brown, Air Filtration (1993)

23 Mechanische Stabilität 318 N Zug- Festigkeit Faktor 83 4 N PTFE Membran HEPA 5,000x Vergrößerung Berstdruck 6,4 kg/cm 2 non- existing Faktor traditioneller HEPA 5,000x Vergrößerung Source: tested according to EN by ÖP textile testing laboratories (Germany)

24 Energieverbrauch und -kosten Druckverlust: Energieverbrauch/- kosten pro Filter: traditioneller HEPA 10,000x Vergrößerung m/s und 0.33 m 3 /s 548 kwh / 175 kg CO 2 / 52 Per annum > 50% Ersparnis 299 kwh / 96 kg CO 2 / 29 PTFE Membran HEPA 10,000x Vergrößerung m/s und 0.33 m 3 /s 249 kwh / 79 kg CO 2 / 23 Per annum - dp figures shown are based on 610x1220x69 mm with 50 mm media pack in H14 efficiency class (according to EN1822-1:2009). Filters used for testing: AstroCel II and VITCAcel - Assumptions used for energy consumption: annual operating time of 8760 hours and a fan efficiency of 58% - Source for monetary energy consumption equivalent: Eurostat (2011)

25 Energieverbrauch und -kosten Ersparnis für einen Reinraum mit 24 PTFE Membran H14 HEPA Filtern: Ersparnis beim Einsatz von 24 PTFE Membran HEPA Filtern: 7,2 MWh / 2,3 t CO 2 / 696 Fahrtrecke eines Standardfahrzeugs Energievernrauch eines Standardhaushalts: 60% des Erdumfangs (total km) 27 Monate Elektrizitätsverbrauch (total kwh) Zusatzliche CO 2 Ersparnisse werden durch Abfallreduktion (längere Lebenszeit) relisiert. - Equivalent calculations are based on European average data from the International Energy Agency (IEA) and the European Environment Agency (EEA)

26 PTFE Membran HEPA (TCO) TCO = Total Cost of Ownership - Potentielle Ersparnisse bei Neuinvestitionen - Kleinere Ventilatoren/Motoren und weniger Kühlung durch geringeren Druckverlust. - Reduzierte Bauhöhe durch flachere Filterpakete. - Kosteneinsparungen während der Lebensdauer - Geringere Energiekosten durch geringeren Druckverlust. - Weniger Filterwechsel durch überlegene mechanische Stabilität und Chemikalienbeständigkeit. - Reduzierte Downtime Kosten, Qualitätskosten und Requalifizierungskosten aufgrund von HEPA Filterfehler. - Beitrag zu Wettbewerbsvorteilen und Profitabilitätsverbesserungen unter Einhaltung aller pharmaspezifischen Regularien - Erhöhungs des Lebenszyklusnutzwertes von HEPA Filtern. - Geringeres Risko in der Pharmaproduktion durch HEPA Filterfehler, die Reinraumstatus (z.b. bei Sterilproduktion) kompromitieren.

27 Reine Luft hocheffizient aufbereitet Frankfurt/M. 27. Okt 2015 Dr.-Ing. Marc Schmidt Business Development Manager Pharma EMEA 0175/ AAF Lufttechnik GmbH Oberhausen