Trockene Vakuumtechnologie für Pharma-Prozesse

In chemis­chen und phar­mazeutis­chen Prozessen spielt Vaku­um eine essen­zielle Rolle. Ob bei der Vaku­um­förderung, der Iner­tisierung, bei Des­til­la­tions- oder Trock­nung­sprozessen, über­all wird Vaku­um einge­set­zt, um die Prozesse sicher­er, schneller und wirtschaftlich­er zu machen oder diese über­haupt erst zu ermöglichen. Viel­seit­ig sind die ver­schiede­nen Tech­nolo­gien, um Vaku­um zu erzeu­gen. Flüs­sigkeit­sring-Vaku­umpumpen und Dampf­s­trahler sind über viele Jahrzehnte die robusten Arbeit­stiere, wenn Vaku­um erzeugt wer­den soll. Sie haben allerd­ings, wie auch ölum­laufgeschmierte Drehschieber-Vaku­umpumpen, einen Nachteil: Sie benöti­gen ein Betrieb­smit­tel, das mit dem Prozess­gas in Berührung kommt. Mitte der 1990-er Jahre brachte die Fir­ma Busch Vac­u­um Solu­tion mit der COBRA die erste Schrauben-Vaku­umpumpe auf den Markt. Der große Unter­schied zu den damals bekan­nten Vaku­umpumpen lag darin, dass Schrauben-Vaku­umpumpen keine Betrieb­smit­tel zur Verdich­tung des Prozess­gas­es benöti­gen. Man spricht deshalb von der „trock­e­nen“ Schrauben-Vaku­umpumpe. Die trock­ene Schrauben-Vaku­umtech­nolo­gie ist in der Chemie und Phar­mazie inzwis­chen eben­falls weit verbreitet.

Funk­tion

In ein­er Schrauben-Vaku­umpumpe drehen sich zwei ineinan­der verzah­nte, schrauben­för­mige und gegen­läu­fige Schrauben-Rotoren. Die Prozess­gase wer­den zwis­chen den einzel­nen Schrauben­wen­deln eingeschlossen, verdichtet und zum Gasaus­lass trans­portiert. Die bei­den Schrauben­ro­toren berühren sich beim Verdich­tung­sprozess wed­er gegen­seit­ig noch den Zylin­der. Eine präzise Fer­ti­gung und kle­in­ste Spal­ten zwis­chen den sich bewe­gen­den Teilen ermöglichen dieses Funk­tion­sprinzip und garantieren darüber hin­aus einen niedri­gen End­druck von bis zu 0,01 Mil­libar (abso­lut).

COBRA Schrauben-Vaku­umpumpen arbeit­en mit einem Kühlsys­tem, das für eine gle­ich­mäßige Wärmev­erteilung sowie eine höhere ther­mis­che Effizienz und Sta­bil­ität im gesamten Pumpenkör­p­er sorgt. Dadurch kann die Tem­per­atur so gewählt wer­den, dass sie hoch genug ist, das Prozess­gas nicht kon­den­sieren zu lassen aber niedrig genug, um poten­zielle tem­per­aturbe­d­ingte Prob­leme wie Gas­phasen­ab­schei­dung oder Selb­stentzün­dung zu ver­mei­den. Da die Verdich­tung des Prozess­gas­es in der Vaku­umpumpe trock­en erfol­gt, kann das Prozess­gas ohne Kon­t­a­m­i­na­tion oder Reak­tion mit einem Betrieb­smit­tel gefördert werden.

Schutz des Vakuumsystems

Je nach Prozess­gas, kann die Vaku­umpumpe bes­timmten Risiken aus­ge­set­zt wer­den. Deshalb ist es wichtig, dass die Prozess­gase aus­re­ichend bekan­nt sind, um diese Risiken zu min­imieren. Oft sind ver­schiedene Kom­po­nen­ten notwendig, die saug­seit­ig oder druck­seit­ig instal­liert wer­den kön­nen, um das Prozess­gas zu fördern ohne dass die Vaku­umpumpe Schaden nimmt. Man spricht dann von einem Vaku­um­sys­tem, das auch aus mehreren Vaku­umpumpen beste­hen kann. Zum sicheren Betrieb des Vaku­um­sys­tems gilt es, dieses vor Kor­ro­sion und Ablagerun­gen durch Kristalli­sa­tion oder Poly­meri­sa­tion zu schützen, sowie die Mate­ri­albeständigkeit zu erhöhen.

Kor­ro­sion­ss­chutz

Zum Schutz des Vaku­um­sys­tems beziehungsweise der einzel­nen Vaku­umpumpen vor Kor­ro­sion kön­nen ver­schiedene Maß­nah­men wirk­sam sein. Die erste Möglichkeit beste­ht darin, zu ver­hin­dern, dass kor­ro­sive Stoffe in das Innere der Vaku­umpumpe gelan­gen kön­nen. Diese kann durch vorgeschal­tete Kon­den­satoren oder Gaswäsch­er umge­set­zt werden.

Die zweite Möglichkeit Kor­ro­sion zu ver­mei­den ist, das Prozess­gas in der Gas­phase zu hal­ten. Dies kann bei ein­er Schrauben-Vaku­umpumpe durch die Ein­stel­lung ein­er bes­timmten Betrieb­stem­per­atur erfol­gen. Außer­dem kann das Prozess­gas durch ein zuge­führtes Bal­last­gas verdün­nt wer­den, um dadurch den Teil­druck der kon­den­sier­baren Gase zu senken. Es gilt also die ein­fache Logik: Gas­för­mig ansaugen und gas­för­mig ausstoßen. Die Min­dest­tem­per­atur muss also so gewählt wer­den, dass sie so hoch ist, dass Gase nicht auskon­den­sieren. Die max­i­male Tem­per­atur muss so gewählt wer­den, dass die Vaku­umpumpe keinen Schaden nimmt oder dass die max­i­mal zuläs­sige Tem­per­atur nach ATEX-Klas­si­fizierung nicht über­schrit­ten wird.

Eine dritte Möglichkeit ist die Nutzung von kom­pat­i­blen Mate­ri­alien bei der Vaku­umpumpe. Bei COBRA Schrauben-Vaku­umpumpen sind beispiel­sweise alle prozess­berühren­den Teile stan­dard­mäßig aus Kugel­graphit­guss gefer­tigt und mit ein­er speziellen Beschich­tung verse­hen, die meis­ten Chemikalien beständig ist.

Schutz vor Partikeleintrag

Schrauben-Vaku­umpumpen soll­ten immer mit einem Saugsieb im Ansaugstutzen oder einem Ansaug­fil­ter betrieben wer­den. Dieser soll ver­hin­dern, dass Par­tikel in das Pumpenin­nere gelan­gen. Bed­ingt durch die präzise Fer­ti­gung von Schrauben-Vaku­umpumpen mit den damit ver­bun­de­nen kleinen Spal­ten und Tol­er­anzen ergibt sich eine gewisse Empfind­lichkeit gegenüber einge­tra­ge­nen Par­tikeln. Trock­ene Schrauben-Vaku­umpumpen wer­den vor allem in der Phar­main­dus­trie oft in Verbindung mit Par­tikel­trock­n­ern einge­set­zt. Eine gewisse Anzahl solch­er Par­tikel kön­nen die Vaku­umpumpe zusam­men mit dem Prozess­gas prob­lem­los passieren oder nach Prozessende aus­ge­spült wer­den. Den­noch emp­fiehlt es sich entsprechende Vorkehrun­gen zu tre­f­fen, um ein regelmäßiges Ansaugen von Par­tikeln zu verhindern.

Dichtheit der Vaku­umpumpe/des Vaku­um­sys­tems

Vaku­umpumpen und ‑sys­teme in chemis­ch­er Umge­bung müssen dicht sein, damit keine Umge­bungsluft ein­drin­gen und ein explo­sion­s­ge­fährdetes Gas­gemisch erzeu­gen kann oder tox­is­che oder explo­sive Gase entwe­ichen kön­nen. Zur Ver­hin­derung von Undichtheit­en zwis­chen zwei fest­ste­hen­den Teilen wer­den in aller Regel Poly­mer-O-Ringe ver­wen­det. Die Wider­stands­fähigkeit hängt dabei vom gewählten Poly­mer ab. Deshalb muss das Mate­r­i­al der Dich­tung eben­falls auf die möglichen Prozess­gase abges­timmt wer­den. Busch Vac­u­um Solu­tions hat ein dynamis­ches Dich­tungskonzept für rotierende Wellen­durch­führung der COBRA Schrauben-Vaku­umpumpen vom TÜV SÜD gemäß der Tech­nis­chen Anleitung zur Rein­hal­tung der Luft (TA Luft) zer­ti­fizieren lassen. Diese Dich­tun­gen gel­ten als tech­nisch dicht.