Prozesstechnik Leistungsprüfung von Luftfiltern: Normen und Richtlinien für das 21. Jahrhundert Dr.-Ing. Thomas Caesar. Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim Korrespondenz: Dr.-Ing. Thomas Caesar, Freudenberg Filtration Technologies KG, Weinheim; e-mail: Thomas.Caesar@freudenberg-filter.com Autor Dr. Thomas Caesar Dr. Thomas Caesar studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Karlsruhe (TU) und promovierte im Anschluss an der RWTH Aachen. Seit 1999 ist er bei der Freudenberg Vliesstoffe KG im Geschäftsbereich Filter in verschiedenen Funktionen in Technik und Vertrieb tätig. Seit 2007 ist er Leiter der Filtertechnik bei der Freudenberg Filtration Technologies KG. Er betreibt nationale und internationale Normen- und Richtlinienarbeit als Experte in verschiedensten Arbeitsgruppen bei VDI, DIN, CEN, ISO und bei EUROVENT, sowie als deutscher Delegierter bei CEN/TC 195 und ISO/TC 142. 1. Einleitung Die Herstellung, Prüfung, Klassifizierung, Installation und der Betrieb von Luftfilter allgemein und insbesondere in der Pharmaindustrie unterliegen verschiedenen Normen und Richtlinien. In der Reinraumtechnik wird die Filterauswahl, Installation, Abnahmeprüfung und der Betrieb insbesondere der endständigen Schwebstofffilter durch die internationale Normenreihe ISO 14644 [1] sowie in den relevanten GMPs der EU und der FDA geregelt. Dagegen ist die Herstellerprüfung und Klassifizierung von Luftfiltern bisher nicht weltweit einheitlich geregelt. In Europa werden Luftfilter nach den beiden europäischen Normen EN 779 [2] für Staubfilter und EN 1822 [3] für Schwebstofffilter geprüft und klassifiziert. In USA wird dies durch den ANSI/ASHREA Standard 52.2 [4] genormt. Derzeit werden große Anstrengungen unternommen, diese Normen weltweit einheitlich zu regeln und auch zusätzlich Aspekte aufzunehmen, die bisher in den bestehenden Normen und Richtlinien keine Berücksichtigung fanden. Allem voran ist hier das energetische Betriebsverhalten von Luftfiltern zu nennen. 2. Neue ISO-Norm für Schwebstofffilter Im Jahre 2006 wurde das ISO Technical Committee (TC) 142 Cleaning Equipment for Air and other Gases reaktiviert, mit dem Ziel, die Normenwelt rund um die Luft- und Gasfiltration international einheitlich zu regeln. Als erste internationale Norm aus diesem Komitee wurde kürzlich die ISO 29464 Cleaning equipment for air and other gases Terminology veröffentlicht, in der die Begrifflichkeiten rund um die Filtration geregelt werden. Als weiteres ist im Oktober 2011 die Norm ISO 29463 High-efficiency filters and filter media for removing particles in air [5] erschienen, die in fünf Teilen die Prüfung und Klassifizierung von Schwebstofffiltern regelt. Diese neue internationale Norm basiert in ihren wesentlichen Elementen auf der europäische Norm EN 1822 und wird diese voraussichtlich künftig ersetzen. Analog zur EN 1822 unterteilt die ISO 29463 Schwebstofffilter in drei Gruppen (siehe Tab. 1): EPA (Efficient Particulate Air) Filter: Filter, die dieser Gruppe zugeordnet werden, können weder beim Hersteller noch beim Anwender einzeln auf Leckfreiheit überprüft werden. 254 Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)
Tabelle 1 Klasseneinteilung nach ISO 29463-1. Gruppe Klasse Klasse nach EN1822 Sie unterliegen beim Hersteller Prüfmethoden, welche die Abscheideleistung im Rahmen der Qualitätskontrolle und basierend auf statistischen Methoden sicherstellen. HEPA (High Efficient Particulate Air) Filter: Filter dieser Gruppe werden beim Hersteller einzeln auf Leckfreiheit überprüft. Als Referenzmethode dient dazu das sogenannte Scanverfahren, bei dem der Filter mit Partikelmeßsonden vollflächig abgefahren und die lokalen Abscheidegrade gemessen werden. Alternativ dazu definiert die Norm verschiedene andere Leckprüfverfahren, wie beispielsweise den Ölfadentest. ULPA (Ultra Low Penetration Air) Filter: Filter dieser Gruppe werden beim Hersteller einzeln auf Leckfreiheit überprüft, wobei das Scanverfahren für ULPA Filter die einzig zulässige Methode ist. HEPA und ULPA Filter müssen nach dem Einbau durch den Anwender auf Dichtsitz und Leckfreiheit beispielsweise nach ISO 14644, Teil 3 überprüft werden. Intergralwerte für MPPS Lokalwerte für MPPS Abscheidegrad Penetration Abscheidegrad Penetration EPA ISO 15 E E11 95 % 5% ISO 20 E 99 % 1% ISO 25 E E12 99,5 % 0,5 % ISO 30 E 99,9 % 0,1 % HEPA ISO 35 H H13 99,95 % 0,05 % 99,75 % 0,25 % ISO 40 H 99,99 % 0,01 % 99,95 % 0,05 % ISO 45 H H14 99,995 % 0,005 % 99,975 % 0,025 % ULPA ISO 50 U 99,999 % 0,001 % 99,995 % 0,005 % ISO 55 U U15 99,9995 % 0,0005 % 99,9975 % 0,0025 % ISO 60 U 99,9999 % 0,0001 % 99,9995 % 0,0005 % ISO 65 U U16 99,99995 % 0,00005 % 99,99975 % 0,00025 % ISO 70 U 99,99999 % 0,00001 % 99,9999 % 0,0001 % ISO 75 U U17 99,999995 % 0,000005 % 99,9999 % 0,0001 % Wie bei der EN 1822, ist auch bei der ISO 29463 das Scanverfahren die Referenzmethode, bei der die lokalen und integralen Abscheidegrade bei der Partikelgröße mit dem höchsten Durchlaßgrad (MPPS = Most Penetrating Particle Size) gemessen werden. In Tabelle 1 sind die Definitionen der ISO-Filterklassen und die zugehörigen Abscheidebzw. Durchlaßgrade wiedergegeben. Insgesamt teilt sich das Prüfverfahren in vier Einzelschritte: (1) Bestimmung der Partikelgröße mit dem höchsten Durchlaßgrad (MPPS) durch Messung der Fraktionsabscheidegradkurve als Funktion der Partikelgröße am planen Filtermedium (siehe Teil 3 der Norm), (2) Bestimmung der Leckfreiheit am Filterelement (siehe Teil 4 der Norm), (3) Ermittlung des integralen Abscheidegrades des Filterelements (siehe Teil 5 der Norm) und (4) Klassifizierung nach Tabelle 1 (siehe Teil 1 der Norm). Im Teil 3 der Norm werden die notwendigen statistische Berechnungsverfahren beschrieben. 3. Grob- und Feinstaubfilter Grob- und Feinstaubfilter dienen in der pharmazeutischen Industrie meist als Vorfilter für die endständigen Schwebstofffilter; sichern aber auch eine ausreichende Innenraumluftqualität beispielsweise in den Büroräumen außerhalb einer Reinraumproduktion. Sie werden in Europa nach der Norm EN 779 geprüft und klassifiziert. Im Gegensatz zur Prüfung von Schwebstofffiltern handelt es sich bei der Prüfung von Grob- und Feinstaubfiltern um eine zerstörende Prüfung, bei der der Prüfling mit einem synthetischen Prüfstaub beladen wird, dem so genannte ASHRAE-Staub. Aus den über die Staubbeladung gemittelten Abscheide- bzw. Wirkungsgraden wird die Filterklasse ermittelt. Diese Norm wurde aktuell überarbeitet und als finaler Entwurf pren779:2009 veröffentlicht (Tab. 2). Wesentliche Änderung in dieser Überarbeitung ist die Einführung von Mindestwirkungsgraden für die Filterklassen F7 bis F9, die dem Anwender eine hö- ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany) Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter 255
Prozesstechnik Tabelle 2 Filterklasseneinteilung nach FprEN 779:2010. Gruppe Klasse Enddruckdifferenz der Prüfung Grobfilter Feinfilter here Betriebssicherheit in Bezug auf die Abscheideleistung der Filter geben. Um dem Anwender zusätzliche Sicherheit bezüglich der Qualität der verwendeten Feinfilter zu geben, wurde vor einigen Jahren von Eurovent (Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen) ein Zertifizierungsprogramm aufgesetzt, in dessen Rahmen sich die Teilnehmer einer regelmäßigen und unabhängigen Kontrolle wichtiger Filterleistungsdaten unterziehen (siehe auch www.eurovent-certification. com). Durch unabhängige Labore werden im jährlichen Turnus die Anfangsdruckdifferenz, der Anfangsund Mindestwirkungsgrad, die Filterklasse sowie die Energieeffizienzklasse an jeweils vier willkürlich ausgewählten Feinfiltern aus dem Produktprogramm des jeweiligen Teilnehmers überprüft. Es ist daher zu empfehlen, nur Luftfilter von Eurovent zertifizierten Herstellern einzusetzen. 4. Energetischer Betrieb von Luftfiltern Bedingt durch steigende Energiekosten und die Notwendigkeit zur Mittlerer gravimetrischer Abscheidegrad A m gegenüber ASHRAE-Prüfstaub in % Reduktion der CO 2 -Emissionen ist der Energieverbrauch Raumlufttechnischer Anlagen zunehmend in den Fokus gerückt. In Europa werden zwischen 10 und 20 % der elektrischen Energie im industriellen und gewerblichen Bereich für den Betrieb von Ventilatoren in Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) eingesetzt. In Reinräumen der Pharmaproduktion liegt dieser Prozentsatz noch deutlich höher. Ungefähr 1/3 davon dient dazu, den Strömungswiderstand (Druckverlust) der eingesetzten Luftfilter zu überwinden. Neben Investitionsmaßnahmen wie die Umrüstung oder der Einsatz frequenzgeregelter Lüfter mit hohem Wirkungsgrad bietet die Optimierung der eingesetzten Filtereffizienzen und der Einsatz qualitativ hochwertiger, energieeffizienter Luftfilter eine vergleichsweise einfache Möglichkeit, signifikante Energieeinsparungen zu erzielen. Dabei dürfen natürlich die Schutzziele nicht außer Acht gelassen werden, so dass letztlich individuell stets das Optimum der notwendigen Filtereffizienz bei möglichst geringem Energieverbrauch gefunden werden muss. Um dem Anwender die Wahl möglichst Mittlerer Wirkungsgrad E m 0,4 μm in % G G1 250 Pa 50 A m < 65 G2 65 A m < 80 G3 80 A m < 90 G4 90 A m M M5 450 Pa 40 E m < 60 M6 60 E m < 80 F F7 80 E m < 90 35 F8 90 E m < 95 55 F9 95 E m 70 energieeffizienter Luftfilter zu erleichtern, wurde jüngst durch das Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen (Eurovent) ein neues Dokument Eurovent 4/11 [6] veröffentlicht, das ein Energieeffizienz- Klassifizierungssystem für Luftfilter definiert. Unter der Annahme, dass der Volumenstrom, der durch den Lüfter gefördert wird, konstant ist, also nicht vom Filterdruckverlust abhängt, lässt sich der durch Luftfilter verursachte Energieverbrauch nach Gl. (1) berechnen [7]. W = q v p t 1000 Abb.: Gleichung 1. Minimaler Wirkungsgrad 0,4 μm in % Diese Voraussetzung ist dann gegeben, wenn der Lüfter über einen Frequenzumrichter auf konstanten Volumenstrom geregelt wird. In Gl. (1) ist W (in kwh) die in der Zeit t (in h) verbrauchte Energie. Da der Druckverlust während der Betriebsdauer eines Luftfilters mit der Staubeinlagerung zunimmt, wird in Gl. (1) der über den Zeitraum t integral ge- 256 Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)
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Prozesstechnik mittelte Druckverlust p (in Pa) eingesetzt. Der Wirkungsgrad η hängt der Bauart und dem jeweiligen Betriebszustand des Lüfters ab. Bei modernen Lüftern liegt dieser bei 70 %; kann jedoch bei älteren Modellen und/oder ungünstiger Betriebsweise auch nur 25 % oder sogar weniger betragen. In RLT-Anlagen werden meist zweistufig Taschen- oder Kassettenfilter eingesetzt (siehe Abb. 1). Das energetische Betriebsverhalten solcher Filter wird ganz wesentlich durch die eingesetzten Filtermedien, die effektiv wirksame Filterfläche und die Ausführung und Art der Konfektionierung bestimmt. Beispielsweise können progressiv aufgebaute Filtermedien aus synthetisch-organischen Fasern, bei denen die Dichte und die Feinheit der Fasern in Luftströmungsrichtung zunehmen, deutlich mehr Staub einlagern, als vergleichbare, homogen aufgebaute Vliesstoffe aus Polymeroder Glasfasern. Das höhere Staubspeichervermögen bewirkt, dass die Druckdifferenz mit der Betriebszeit langsamer ansteigt und der Filter weniger Energieverbrauch verursacht. Zusätzlich bewirkt eine hohe Steifigkeit der eingesetzten Filtermedien, dass Filtertaschen formstabil und eigensteif sind. Damit muss die einströmende Luft nicht zusätzlich Energie zum Öffnen der Taschen aufwenden und gleichzeitig ist eine optimal V-förmige Geometrie der Taschen gewährleistet. Auch bei Kassettenfiltern, bei denen das Filtermedium entweder in 6 bzw. 8 flachgefalteten Faltenpaneele oder als ein tiefgefaltetes Faltenpaneel in einen festen Rahmen eingefasst sind, beeinflusst die Steifigkeit des eingesetzten Filtermediums und die Geometrie der Faltung wesentlich den Energieverbrauch [8]. Das Energieeffizienz-Klassifizierungssystem nach Eurovent 4/11 gibt dabei erstmals dem Anwender die Möglichkeit, diese unterschiedlichen Designaspekte verschiedener Filter in Bezug auf deren energetisches Betriebsverhalten quantitativ miteinander zu vergleichen. Das verwendete Laborprüfverfahren basiert dabei im wesentlichen auf der Filterprüfnorm EN779 [2], wobei der Filterprüfling bei einem festgelegten Prüfvolumenstrom von 3 400 m 3 /h mit einem synthetischen Prüfstaub, dem sogn. ASHRAE - Staub beladen wird. Die dabei gemessene Druckdifferenzkurve als Funktion der Staubbeladung dient zur Bestimmung des mittleren Druckverlustes (siehe Gl. (1)), der sich während eines Jahres Betrieb einstellt. Je nach Filterklassengruppe werden dabei unterschiedliche Staubmengen zugrunde gelegt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass Filter der Gruppe F Tabelle 3 Abb. 1: Beispiele für Taschenfilter (links) oder Kassettenfilter (rechts) für den Einsatz in RLT-Anlagen. in der Regel in der zweiten Filterstufe eingesetzt werden und dadurch in der Praxis mit geringeren Staubkonzentrationen konfrontiert werden, als dies bei Filtern der Gruppe G oder M der Fall ist, die üblicherweise in der ersten Filterstufe eingesetzt werden. Mit dem aus der Beladungskurve nach EN 779 bestimmten mittleren Druckverlust kann mit Hilfe von Gl. (1) der jährliche Energieverbrauch berechnet werden. Dazu werden in dem Eurovent Dokument 4/11 als Konvention die jährlichen Betriebsstunden mit 6 000 h und der Wirkungsgrad des Lüfters zu 50 % festgelegt. Anhand des berechneten Jahresenergieverbrauch werden die Filter entsprechend ihrer Filterklasse gemäß Tabelle 3 in Energie-Effizienz-Klassen eingeteilt. Klassengrenzen der Energie-Effizienz in Abhängigkeit der Filterklasse gemäß EN779 (ermittelt bei 3400 m 3 /h) [6]. Filter class G4 M5 M6 F7 F8 F9 MTE MTE 35% MTE 55% MTE 70% M G = 350 g ASHRAE M M = 250 g ASHRAE M F = 100 g ASHRAE A 0 600 kwh 0 650 kwh 0 800 kwh 0 1200 kwh 0 1600 kwh 0 2000 kwh B > 600 kwh 700 kwh > 650 kwh 780 kwh > 800 kwh 950 kwh > 1200 kwh 1450 kwh > 1600 kwh 1950 kwh > 2000 kwh 2500 kwh C > 700 kwh 800 kwh > 780 kwh 910 kwh > 950 kwh 1100 kwh > 1450 kwh 1700 kwh > 1950 kwh 2300 kwh > 2500 kwh 3000 kwh D > 800 kwh 900 kwh > 910 kwh 1040 kwh > 1100 kwh 1250 kwh > 1700 kwh 1950 kwh > 2300 kwh 2650 kwh > 3000 kwh 3500 kwh E > 900 kwh 1000 kwh > 1040 kwh 1170 kwh > 1250 kwh 1400 kwh > 1950 kwh 2200 kwh > 2650 kwh 3000 kwh > 3500 kwh 4000 kwh F > 1000 kwh 1100 kwh > 1170 kwh 1300 kwh > 1400 kwh 1550 kwh > 2200 kwh 2450 kwh > 3000 kwh 3350 kwh > 4000 kwh 4500 kwh G > 1100 kwh > 1300 kwh > 1550 kwh > 2450 kwh > 3350 kwh > 4500 kwh 258 Caesar. Leistungsprüfung Luftfilter ECV. Editio Cantor Verlag, Aulendorf (Germany)
Zusammenfassung und Ausblick Die Welt der Filternormen und -richtlinie befindet sich in einem starken Umbruch. Bestehende Normen werden überarbeitet und globalisiert; neue Aspekte wie beispielsweise das energetische Betriebsverhalten von Luftfiltern werden aufgenommen. So wurde eine überarbeitete europäische Norm EN 779 für die Prüfung und Klassifizierung von Grob- und Feinstaubfiltern als Entwurf veröffentlicht. Eine neue internationale Norm ISO 29463 für die Prüfung und Klassifizierung von Schwebstofffiltern ist kürzlich als gültige Norm erschienen und wird voraussichtlich die europäische Norm EN 1822 in Zukunft ablösen. Mit dem Eurovent-Dokument 4/11 wurde erstmals europaweit einheitlich ein Energieeffizienz-Klassifizierungssystem für Luftfilter definiert. Dieses wird voraussichtlich auch Basis für gesetzliche Regelungen für Luftfilter im Rahmen der Eco- Design-Richtlinie des Europäischen Parlaments und der Kommission (Direktive 2009/125/EC) sein. Im Rahmen des ISO/TC 142 wird derzeit international an 34 Normenprojekten gearbeitet, darunter beispielsweise eine Norm ISO 10121 für Prüfung von Gasadsorptionsfilter oder eine neue Normreihe für Grobund Feinstaubfilter ISO 16890, die in vier Teilen erarbeitet wird und voraussichtlich in wenigen Jahren die Europäische Norm EN 779 ersetzen wird. Fachliteratur [1] ISO 14644: Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche. Normenreihe. Beuth Verlag, Berlin. [2] DIN EN 779: Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik, Bestimmung der Filterleistung. Deutsche Fassung pren 779:2009. Beuth Verlag, Berlin, 2009. [3] DIN EN 1822: Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA). Teil 1-5. Beuth Verlag, Berlin, 2011. [4] ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2007: Method of Testing General Ventilation Air- Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. American Society of Heating. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta (2007) [5] ISO 29463: High-efficiency filters and filter media for removing particles in air. Part 1-5. Beuth Verlag, Berlin, 2011. Online-Prozesskontrolle mit FT-IR und FT-NIR [6] Eurovent 4/11: Energieeffizienzklassifizierung von Luftfiltern für die allgemeine Lüftungstechnik. Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und Trocknungsanlagen (Eurovent), Paris (2011) [7] Goodfellow, H.; Tähti, E.: Industrial Ventilation, Academic Press, 2001. [8] Caesar, T.; Schroth, T.: Einfluß der Faltengeometrie auf die Druckdifferenz tiefgefalteter Kassettenfilter. F & S Filtrieren und Separieren, Jahrgang 16, Nr. 3, 2002. Nicht nur die Produktqualität, sondern auch die Effizienz im Herstellungsprozess ist heute wichtiger denn je. Daher installieren mehr und mehr Hersteller analytische Messsysteme direkt in den Prozess. So wird das Verständnis für die Prozessabläufe verbessert, sowie der Materialeinsatz, die Laufzeit und die Qualität der Endprodukte optimiert. Die modernen FT-Spektrometer von Bruker Optik liefern wertvolle Informationen zur Optimierung der Prozesse. Ihre robuste Bauweise ermöglicht den direkten Einsatz unter harten Bedingungen in Produktionsanlagen mit sehr geringem Wartungsaufwand und Kosten. Weitere Informationen unter: www.brukeroptics.de MATRIX-F FT-NIR Spektrometer Für die Inline-Messung in Reaktoren und Pipelines zum besseren Verständnis und Kontrolle der Prozesse. MATRIX-MF FT-IR Spektrometer Prozess-Spektrometer für die Echtzeit-Kontrolle chemischer und biologischer Reaktionen. MPA FT-NIR Labor Spektrometer Modulares System mit zahlreichen Messoptionen für die Wareneingangskontrolle bis hin zur Messung des Wirkstoffgehalts von Tabletten. Innovation with Integrity FT-IR / FT-NIR