Die perfekte Kombination: Pulver fördern und dosieren

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1 Technik Die perfekte Kombination: Pulver fördern und dosieren Thomas Eules. Dec Deutschland GmbH, Geisenfeld Korrespondenz: Thomas Eules, Dec Deutschland GmbH, Max-Knöferl-Str. 6, Geisenfeld; Zusammenfassung In der chemischen und pharmazeutischen Industrie stehen Anlagenplaner und Betreiber beim Um- und Abfüllen von Pulvern vor mehreren großen Herausforderungen: Je nach Produkt müssen Containment-Bedingungen eingehalten sowie die Fließfähigkeit des Produktes und die geforderte Abfüllgenauigkeit berücksichtigt werden. Der Platzbedarf für eine solche Anlage kann beträchtlich sein. Des Weiteren sollen Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften strikt eingehalten werden. Die anspruchsvollen Produktionsstandards sowie eine gleichzeitige Kostensenkung sollen ebenfalls realisiert werden. Dafür wurde nun ein Dosiersystem entwickelt, das kombiniert mit dem Pulverförderer PTS eine präzise und dennoch flexible Lösung für diese Aufgabenstellung darstellt. Das System ermöglicht es, Feststoffe mittels Dichtstromförderung anstelle Schwerkraft aus verschiedenen Gebinden zu entleeren. Die Vorteile gegenüber einer Anlagenplanung mittels Falllinie sind die Folgenden:. niedriger Platzbedarf in Bezug auf die Bauhöhe (keine Falllinie). keine Verstopfungen im Förderschlauch bei schwer fließenden Produkten. Erfüllen der Sicherheitsvorschriften und Erreichen eines hohen Containments durch direkt verlinkte Prozessschritte. keine Druckschwankungen und deshalb keine Beeinträchtigungen der Wiegegenauigkeit. einfache Reinigung im eingebauten Zustand und Ausschluss der Kontaminationsgefahr beim Produktwechsel Einführung Das Umfüllen von Pulvern von Großgebinden in Kleingebinde (s. Abb. 1) ist eine häufige Aufgabenstellung in der Schüttgutindustrie; eine zentrale Aufgabe dabei ist das Dosieren. In den meisten Fällen werden die Pulver mittels Schwerkraft aus verschiedenen Großgebinden bzw. Schüttgutbehältern entleert. Diese Art der Entleerung erfordert ein Anlagenkonzept in Falllinie; dies führt zu hohem Platzbedarf. Bei schlechtfließenden und beispielsweise brückenbildenden Produkten kann es dabei im Fallrohr zu unerwünschten Verstopfungen kommen. Die Einsatzmöglichkeiten bzw. die Disposition sind beschränkt Pulver kann nicht ohne Schwerkrafteinfluss über eine längere horizontale Distanz gefördert werden. In der Pharmaindustrie müssen zusätzlich noch die Toxizität von Produkten und Wirkstoffen sowie die immer höheren, qualitativ anspruchsvolleren Produktionsstandards berücksichtigt werden. So ist entsprechend den Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften das Erreichen eines hohen Containment von größter Bedeutung. Dabei darf die Lebensmittelindustrie nicht vergessen werden; in diesem Fall muss das Produkt meist vor der Umgebung geschützt werden. Das An- und Abdocken von Gebinden unter hohem Containment stellt immer noch eine große Herausforderung an die Komponenten- und Anlagenhersteller dar. Einen wichtigen Gefahrenaspekt beim Umfüllen des Pulvers bilden die elektrostatischen Aufladungen. Die daraus entstehende Ex- Thomas Eules Autor Thomas Eules ist seit 2009 Geschäftsführer der DEC Deutschland GmbH mit Sitz in Geisenfeld. Im Fokus seiner Tätigkeit liegen neben den strategischen auch operative Aufgaben, da die DEC Deutschland zusätzlich zum Vertrieb auch eigene Abteilungen für Konstruktion und Projektabwicklung unterhält. plosionsgefahr gilt es zu beurteilen und gegebenenfalls zu bannen. Die Reinigung spielt eine weitere große Rolle in der Planung. Die Vermeidung von Kreuzkontamination beim Produktwechsel kann nur durch sorgfältige Reinigung der Anlage garantiert werden. Dieser Reinigungsaufwand soll dabei möglichst klein sein. All diese Faktoren müssen bei einer Anlagenplanung berücksichtigt werden. Keywords. Umfüllen. Dosieren. Fördern. Vakuumförderung. Big-Bag-Entleerung 78 Eules. Pulver fördern und dosieren ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

2 Abb. 1: Umfüllstation von Big Bags in Container (Quelle alle Abbildungen: Dec Deutschland GmbH). Wie müsste also eine Umfüllstation für Pulver im Idealfall konzipiert sein?. platzsparend und flexibel einsetzbar. hohes Containment bzw. Produktschutz beim An- und Abdocken. bei Produktwechsel gut zu reinigen. Explosionsschutz berücksichtigen. sichere und genaue Dosierung Platzsparend und flexibel Um Höhe einzusparen, muss das Pulver aktiv, also gegen die Schwerkraft gefördert werden. Pneumatische Fördersysteme können hier zum Einsatz kommen. Dabei stellt sich folgende Frage: Können Pulver überhaupt aktiv entgegen der Schwerkraft gefördert werden, und wie sieht es mit der pneumatischen Förderung von feuchten, klebrigen und schlechtfließenden Pulvern aus? Beim pneumatischen Fördern von feinen, klebrigen oder feuchten Pulvern entstehen häufig Probleme wie Verstopfungen in den Schläuchen, Verstopfen der Filter und Schwierigkeiten bei der Entleerung des Luft-/ Pulver-Abscheiders. Die am häufigsten eingesetzten pneumatischen Fördersysteme werden als Flugförderung oder Strähnenförderung betrieben. Als Vakuumerzeuger dienen Ventilatoren oder pneumatische Vakuumpumpen, die auf dem Venturi- Prinzip beruhen. Meist bilden die feuchten oder klebrigen Produkte einen Pfropfen in der Förderleitung. Aufgrund der eingeschränkten Leistung der pneumatischen Vakuumpumpen sind diese Systeme meist nicht in der Lage, eine Förderung aufrechtzuerhalten. Bei der Dichtstromförderung hingegen werden Vakuumsysteme verwendet, die Drücke von deutlich unter 100 mbar absolut erreichen. Dadurch können auch Pfropfen, die über eine längere Stecke den gesamten Querschnitt der Förderleitung verschließen, gefördert werden. Diese Tatsache führt zur folgenden Schlussfolgerung: Die Pfropfen- bzw. Dichtstromförderung ist aufgrund der höheren Vakuumleistung geeigneter, um feuchte und klebrige Pulver zu fördern. Die Dichtstromförderung hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: Bei der pneumatischen Dichtstromförderung ist das Verhältnis der Produktmenge zur Luftmenge, die so genannte Beladung, groß. Das bedeutet, dass es in den Produktschläuchen zwischen den Pulverpartikeln zu weniger Reibung kommt und elektrostatische Aufladungen im Produkt so gering wie möglich gehalten werden ein wichtiger Sicherheitsaspekt. Da das Pulver von der Förderluft getrennt werden muss, ist das Abscheiden ein wichtiges Element aller WELTNEUHEIT NACH HYGIENIC DESIGN Ein Novum in der Prozessindustrie. Speziell abgestimmt auf die Dichtscheiben Hygienic Usit von Freudenberg Process Seals, entwickelte NovoNox die Komplettlösung mit Hochglanz polierter passender Hutmutter und Sechskantschraube. Die erste EHEDG konforme Dichtungs- und Verbindungskomponente, die nahezu 100% hygienisch und totraumfrei ist. Postfach Markgröningen Telefon +49 (71 45)

3 Technik Abb. 2: Powder Transfer System. pneumatischen Fördersysteme. Das mit am häufigsten wiederkehrende Problem ist das Verstopfen des Filters. Mit der Zeit hat jeder Filter die Tendenz zu verstopfen und muss ersetzt werden. Bei feinem und klebrigem Pulver, sowie bei Pulver, das sich elektrostatisch auflädt, besteht durch die hohen Haftkräfte eine erhöhte Gefahr, dass der Filter teilweise oder vollständig verstopft. In der Praxis hat sich gezeigt, dass es unmöglich ist, Filter mit einer großen Oberfläche oder einer komplexen Geometrie (Plissierte Patrone, Filtertaschen, etc.) vollständig und gleichmäßig zu reinigen. Um ein zu schnelles Verstopfen zu vermeiden, sind diese oftmals überdimensioniert (erfahrungsgemäß geht man davon aus, dass 30 % der Filteroberfläche ständig verstopft ist). Abgesehen von den hohen Kosten ist ein zusätzlicher Nachteil von großen Filtern, dass diese in einem voluminösen Luft-/Pulver-Abscheider untergebracht werden müssen. In einigen Fällen beträgt das Volumen des Filters bis zu 90 % des Abscheiders. Ein weiterer Nachteil bei großen Filtern ist zudem, dass sich keine Pfropfenförderung einstellen kann aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit (Flug- und Strähnenförderung). Wie müsste also ein Fördersystem für feuchte und klebrige Produkte beschaffen sein? Zum einen sollte es eine kleine Filterfläche aufweisen, um die Gasgeschwindigkeit im Pulver zu kontrollieren (Pfropfenförderung) und eine effiziente und gleichmäßige Abreinigung des Filters zu gewährleisten. Zum anderen sollte sich das Pulver auf der Oberfläche des Filtermediums aufbauen und abgeschieden werden (Oberflächenfiltration) und nicht im Inneren des Filters (Tiefenfiltration). Der Filter sollte außerdem beschichtet sein. Powder Transfer System (PTS) mit einer flachen Membrane Das patentierte PTS (s. Abb. 2) wurde so entwickelt, dass auch kritische Produkte gefördert werden können. Das System besteht aus einer geraden zylindrischen Kammer. Im oberen Teil dieser Kammer befindet sich ein flacher Filter, bestehend aus einer Oberflächen-Filtriermembrane (Durchlassgrad 1 μm). Diese ist leicht abzureinigen, da das Pulver nicht in den Filter eindringt, sondern an der Oberfläche abgeschieden wird. Die kleine Filterfläche und der daraus resultierende hohe Druckverlust am Filter führen dazu, dass die Gasgeschwindigkeit niedrig gehalten wird und sich somit die gewünschte Dichtstromförderung sozusagen automatisch einstellt. Die PTS-Technologie arbeitet abwechslungsweise mit Vakuum und Druck. Durch das hohe Vakuum (< 100 mbar) kann Pulver direkt aus einem Behältnis (Sack, Fass, Big Bag, Silo, Prozessapparat, etc.) in die Kammer angesaugt werden (s. Abb. 3) Das System hat ausreichend Kraft (Vakuum), um das Produkt als Pfropfen durch die Förderleitung in den Abscheider zu ziehen. Die Kammer wird dann mittels Druck (0,5 1,0 bar) entleert; gleichzeitig wird auch der Filter aufgrund der kleinen Filterfläche (ca. 78,5 706 cm 2 ) effizient gereinigt (s. Abb. 4). Gleich beim Eindringen in die Kammer wird das Produkt vom Fördergas getrennt (s. Abb. 5). Damit wird der Filter vor einem direkten Auftreffen der Partikel geschützt; dies gewährleistet eine gründliche Trennung. Reinigung des Systems Eine Reinigung des Systems ist ohne Umbau bzw. Austausch von Teilen möglich. Die Reinigungsflüssigkeit (Wasser oder Lösemittel) kann direkt aus dem Gebinde angesaugt werden (s. Abb. 6). Ein Flüssigkeitsabscheider, der zwischen dem PTS-Körper und dem T-Stück (Vakuum/Druck) im Kopf des PTS montiert ist (s. Abb. 7), stoppt den Vorgang automatisch, Abb. 3: Ansaugphase (Filtration). Abb. 4: Entleerphase (Reinigung). Abb. 5: Pulvertrennung. 80 Eules. Pulver fördern und dosieren ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

4 Abb. 6: Ansaugen der Reinigungsflüssigkeit. wenn das PTS vollständig geflutet ist. Die Filtermembrane wird dabei komplett mit Flüssigkeit durchströmt. Der Flüssigkeitsabscheider ermöglicht eine einfache Reinigung und Sterilisation (CIP/SIP) des Systems. Die anschließende Trocknung erfolgt mittels Vakuum und Druck. Förderung von Pulvern mit einer niedrigen Mindestzündenergie ohne Stickstoffüberlagerung Aufgrund des erwähnten Filterkonzepts und der Dichtstromförderung können Pulver mit sehr niedrigen Mindestzündenergie-Werten (MZE < 1mJ) sogar ohne Stickstoff als Fördergas sicher gefördert werden. Die niedrige Fördergeschwindigkeit verhindert kritische elektrostatische Aufladungen im Pulver und somit das Explosionsrisiko. Dies wurde in mehreren Gefahrenbewertungen von unabhängigen Sicherheitsinstituten untersucht und unter anderem vom Schweizerischen Institut zur Förderung der Sicherheit bestätigt. Das PTS ist so konzipiert, dass es keine eigenen Zündquellen enthält und somit nicht unter die Atex-Richtlinie 94/9/EG (Atex 95) fällt [1]. Abb. 7: CIP-Ausrüstung für PTS mit Flüssigkeitsabschneider. Das Dosiersystem das Herzstück einer Umfüllanlage Das Dosierorgan ist ein wichtiges Element einer jeder Umfüllanlage. Die Dosiergenauigkeit und die Einfachheit der Reinigung spielen dabei eine wichtige Rolle. Bei der aktiven Pulverförderung werden die Pulver häufig in einen Pufferbehälter gefördert, aus dem anschließend dosiert wird. Als Dosierorgan dienen meist Schnecken, Klappen, Dosierschiebe, usw. Bei brückenbildenden und schlechtfließenden Produkten kann es zu Problemen bei der Dosierung kommen. Die Reinigung ist ebenfalls schwierig aufgrund der Geometrie des Pufferbehälters. Eine Lösung hierfür bietet DEC an als Kombination von PTS und dem Dosiersystem DosiValve (s. Abb. 8). Kombiniertes Förder- und Dosiersystem Aufgrund der Kombination aus einem zuverlässigen Fördersystem und einem präzisen Dosiersystem (s. Abb. 9) ergeben sich Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Containment Das PTS ist ein geschlossenes System, welches den strengen Anforderungen der pharmazeutischen Industrie gerecht wird und unterschiedliche Produkte unter hohem Containment bzw. unter Ausschluss verschiedener Ex- Gefahren fördern kann. Abb. 8: Ab- und Umfüllstation (Kombination von PTS und DosiValve- System). ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Eules. Pulver fördern und dosieren 81

5 Technik Abb. 9: Fördersystem PTS mit DosiValve kombiniert. Abb. 10: Dosierorgan DosiValve. Bei diesem System fungiert der Körper des Systems gleichzeitig auch als Pufferbehälter. Das Dosiersystem DosiValve (s. Abb. 10) wurde speziell konzipiert, um schwerfließende Produkte präzise zu dosieren, wenn es mit PTS kombiniert eingesetzt wird. Der pneumatisch angetriebene Kolben öffnet und schließt den Pulverdurchlass gemäß der gewünschten Parametrierung. Die Einstellung der Parameter erfolgt durch die Öffnungs- und Schließzeit des Ventils. Durch Variieren dieser Einstellungen werden Geschwindigkeit, Gewicht und Präzision gesteuert. Ein typisches Beispiel ist eine Dosierung von 2-3 t/h beim Entleeren von Big Bags bei einer Abb. 11: Umfüllstation von Big Bags in Fässer mit PTS mit integriertem Dosierorgan für eine offene Befüllung ohne Containment. Genauigkeit von < 100 g (s. Beispiel Abb. 11). Das Fehlen von rotierenden Teilen ermöglicht eine einfache Reinigung und Sterilisation (CIP/SIP). Beispiele aus der Praxis Umfüllen von Big Bags in Fässer Bei der Abfüllung mit Endlosliner- Technologie (s. Abb. 12) wird das Produkt mit Umgebungsluft gefördert, im Abscheider getrennt und anschließend mit Druck ausgetragen. Bei kritischen Produkten (z. B. lösemittelfeucht) können der Austrag sowie die Förderung unter Inertgas erfolgen. Fazit Durch den Einsatz dieses kombinierten Systems ergeben sich viele Vorteile, unter anderem:. platzsparend und flexibel einsetzbar. Prozesse können geschlossen und automatisiert ablaufen (OEL Level <1μg/m 3 möglich). System ist gut zu reinigen und CIP-/SIP-fähig. Explosionsschutz ist gewährleistet. genaue und präzise Dosierung. Abfüllung kann inert erfolgen Abb. 12: Abfüllung unter hohem Containment (OEL Level 3/4) mit Endlosliner und Schweißmaschine. Schlusswort Angesichts der hohen Anforderungen an moderne Produktionsanlagen in puncto Sicherheit, Effizienz und Flexibilität und dem daraus entstehenden Druck auf Betreiber, ihre Verfahrenstechniken kontinuierlich zu optimieren, wird der gezielten Auswahl geeigneter Prozessanlagen größte Bedeutung beigemessen. Systemlösungen müssen immer den höchsten Sicherheitsstandards gerecht werden und außerdem den Herstellern helfen, den enormen Kostendruck in den Griff zu bekommen. Fachliteratur [1] M.Glor/Journal of Loss Prevention in the Process Industries 19 (2006) Eules. Pulver fördern und dosieren ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)

6 Preis reduziert Operational Excellence in the Pharmaceutical Industry Th. Friedli, M. Kickuth, F. Stieneker, P. Thaler, J. Werani ISBN ,00 1. Auflage x 24 cm, 190 Seiten, diverse Abbildungen, gebunden ecv Ergebnisse und Konsequenzen aus der bislang größten Benchmarkstudie Mehr als 100 Herstellerfirmen in 20 europäischen Ländern nahmen an einer von der Universität St. Gallen (Schweiz) zusammen mit der APV Arbeitsgemeinschaft für Pharmazeutische Verfahrenstechnik, Mainz, durchgeführten Bench markstudie teil, deren Ziel es war, den gegenwärtigen Stand der Pharmazeutikaherstellung im Hinblick auf schlankes Denken (lean thinking) zu evaluieren. Dieses Buch gibt einen ausführlichen Überblick über die Ergebnisse, wobei es die verschiedenen wesentlichen Aspekte eines Optimierungsprogramms im Sinne von operational excellence aufzeigt. Sieben sorgfältig durchgeführte Fallstudien sowie ein Ausblick auf die pharmazeutische Produktionsanlage der Zukunft vermitteln dem Leser nützliche Erkenntnisse im Hinblick auf das Optimierungspotential seines Unternehmens. Führungspersonal und Forscher lieferten ihren Beitrag zu diesem umfassenden Bericht über ein in der Pharmaindustrie lange Zeit vernachlässigtes Thema. Zielgruppen Pharmazeutische Industrie Zulieferindustrie Fachhochschulen / Universitäten Beratungsunternehmen Behörden Verbände Bestellung: Tel. +49 (0) , Fax +49 (0) , vertrieb-ecv@de.rhenus.com Onlineshop, Leseproben und Inhaltsverzeichnisse ECV Editio Cantor Verlag BIG BAGS at their best EMPAC is presenting itself on the trade fair "Lounges". From 19 th May to 21 st May 2015 in Stuttgart (hall 1, B 3.4).