Bioverfahrenstechnik – Materialien – Oberflächen - Dichtungen
FermenterbauFermenterbau
Materialien
Oberflächen
Dichtungen
Yingxue Zhang
Jörg Döllinger
Philipp Schönberger
Bioverfahrenstechnik – Materialien – Oberflächen - Dichtungen
Materialien
Bioverfahrenstechnik – Materialien – Oberflächen - Dichtungen
Richtlinien
Druckbehälter Verordnung Technische Regeln für Druckbehälter Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter
(AD Merkblatt)
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Richtlinien
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Anforderung an das Material
pH: neutral T: 20°C – 80°C p: 1bar
Sterilisation ausgelegt für 140°C & 3bar
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Anforderung an das Material
ständige Temperatur-, Medien-, Druckwechsel
Hohe Beanspruchung der Werkstoffe im Dauerbetrieb
Materialermüdung an stark belasteten Stellen Haarrisse an Schweißnähte
Kritisch: Kontaktflächen zwischen unterschiedlichen Materialien und festen Verbindungen
(z.B. Rohrleitungssystemen)
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Material: Glas
mikrobiologisch indifferent
hinreichend wärmebeständig
glatte Oberfläche gut reinigbar
transparent
spröde
leicht zerbrechlich schlechte
Wärmeleitfähigkeit fördert Verspannung
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Material: Rostfreier Stahl
Definition: max. Verlust durch Korrosion 0,1mm/Jahr Hauptbestandteil: Eisen mit 2% Kohlenstoffgehalt Problem: anfällig für Korrosion + 12% Cr
Chromoxid (Passivierung) Kristallstruktur von Standard-Chromstahl: ferritisch
(α-Struktur) Ferritstahl auf 910°C erhitzt Austenit (γ-Struktur) Zugabe von Ni, Mg zur Stabilisierung bei
Raumtemperatur
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Material: Rostfreier Stahl
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Material: Rostfreier Stahl
Vorteil gute Zugfestigkeit gut verarbeitbar Austenitstahl:
verbesserte Wärme-/ Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetisch
Nachteil Herauslösen von
Legierungsbestandteilen (häufig Schwermetalle)
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Material: Rostfreier Stahl
Häufig verwendet:Deutschland: 1.4571 & 1.4435USA: 1.4435 & 1.4306
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Materialauswahl
Kompromiss zwischen
Materialkosten
Verfügbarkeit
chem.-phys. Anforderung des Prozesses
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Oberflächen
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Oberflächengestaltung wozu?
Anhaften von Bestandteilen der Fermentationsbrühe (z.B. Produkt) oder der Mikroorganismen Belag (mögliche Kontaminationsquelle)
Belagbildungsmechanismen:
- Rückhaltung durch Rauhtiefe- van der Waals-Kräfte- Dipol-Wasserstoffbindung- Elektrostatische Kräfte- Kapillarkräfte- Festkörperbrückenbildung- Gewichtskräfte- kovalente Bindung (chem. Reaktion)- hydrophobe Anziehung
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Anforderungen an die Oberfläche
Einflußfaktoren auf die Belagbildung: Inhaltsstoffe, Werkstoff, Oberfläche, u, T, ∆T (Wand-Produkt), Verweilzeit
glatt (Ra < dMikroorganismen)
frei von Fehlern (Risse, Riefen, Kratzer)
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Definition der Rauhtiefen
Rt – absolute Rauhtiefe
Rz – gemittelte Rauhtiefe
N=6
Ra – arithmetische Mittenrauhigkeit
m
a dxym
R1
01
1
N
iiz z
NR
1
1
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Anforderungen an die OberflächeZiel: - minimieren der Belagbildung
- gebildete Beläge durch richtige Reinigungsprozedur beseitigen (T, t, Art und Konzentration des Reinigungsmittels)
N: Anzahl der Mikroorganismen
t: Reinigungszeit (CIP)
v: Strömungsgesschwindigkeit (Reinigungsfluid)
Ra<0,4 μm keine Verbesserung des Reinigungseffektes, aber Rückstände ohne Reinigung sind geringer
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Schematischer Überblick der Oberflächenbehandlung
unbehandelter Kessel
Chemisches Glätten
Polieren
Elektropolieren
Passivieren
behandelter Kessel
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Chemische Oberflächenbehandlung
Chemisches Entgraten/Glätten
Tauchen des Werkstückes in chemische Lösungen wodurch bevorzugt überstehende Kanten und Spitzen (Grate) angegriffen werden
Oberfläche wird geglättet
Abtragsrate: 1-5 μm/min Lösungen: Säuremischungen (Cr-Ni-Stahl (T=80°C): 4 Vol% HNO3/5Vol
% H2SO4/5Vol% HCl)
- dient zum Vorbereiten für das Galvanisieren, Schweißen, Löten,- Unreinheiten und Grate werden entfernt welche die Bildung einer Passivschicht behindern- wirtschaftlich- kurze Tauchzeiten- bauteilschonender als elektrolytisches Entgraten
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Chemisches Entgraten
Nadelspitze vor und nach dem chemischen Entgraten/Glätten
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Mechanische Oberflächenbehandlung
Polieren
Die Bearbeitung erfolgt meist maschinell mit rotierenden Polierscheiben. Je nach Körnung der Schleifoberfläche können unterschiedliche Rauhtiefen (Ramin>0,2µm) erzielt werden.
- Oberflächenqualität hängt von Stahlart ab (Titan stabilisierte Cr-Ni Stähle: mindere Oberflächenqualität 1.4541, 1.4571: geringste Rauhtiefen)- warm gewälzte Bleche sind nur unter grossem Aufwand zu polieren - wird der Stahl später elektropoliert ist Ra=0,6µm ausreichend - Poliermittel z.B. Aluminiumoxyd, Chromtrioxyd
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Chemische Oberflächenbehandlung
Elektropolieren
Das Werkstück wird als Anode in einer elektrochemischen Zelle geschaltet. Es befindet sich in einem auf den Werkstoff optimierten Elektrolytbad. (Mischung aus Phosphor- und Schwefelsäure für Edelstähle)Die angelegte Gleichspannung bewirkt einen Materialabtrag, wobei Rauhigkeitsspitzen schneller abgetragen werden als die Täler.
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Chemische Oberflächenbehandlung
Elektropolieren
Vorteile: - Mikro- und Nanorauhheit wird gesenkt - Hohe O2 Konzentration an Anode begünstigt die
Bildung einer dichten homogenen Chromoxidschicht- Fehlstellen und Verspannungen der Oberfläche
werden beseitigt- kristallines Gefüge des austenitischen Stahls tritt
hervor - wellige Oberfläche entsteht (geringere Gesamtoberfläche)
Nachteile: - Kosten
- hydrophober Charakter der Oberfläche- mittlere Rauhtiefe kaum verändert- Werkstoff muss vorbehandelt werden
- Titan stabilisierter Stahl kann nicht elektropoliert werden
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Elektropolieren
Rauhigkeiten der Oberfläche nach mechanischem (li.) und elektrischem Polieren (re.)
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Elektropolieren
Keimzahlentwicklung in Abhängigkeit von der Inkubationsdauer bei 30°C
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Elektropolieren
links: elektronenstrahlgebohrte Filterplattemitte: nach dem mechanischen Polierenrechts: nach dem Elektropolieren
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Chemische Oberflächenbehandlung
Passivieren
Natürliche Passivschicht wird gebildet wenn Edelstahl mit Luft in Verbindung gebracht wird. Die dabei entstehende Chromoxid- Schicht macht den Stahl widerstandsfähig gegen Korrosion.
Künstlich wird die Bildung einer Passivschicht häufig mit verdünnter Salpetersäure (HNO3) beschleunigt.
- Passivschicht ist selbstheilend
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Rauhigkeitsprüfung
Ein Diamant- oder Saphirfühler (r=0,01-0,1mm) wird horziontal über die Oberfläche bewegt, wobei die senkrechte Auslenkung des Messfühlers in ein elektronisches Messsignal umgesetzt wird.
unterschiedliche Rauhigkeiten Ra, Rt, Rz(nach DIN 4768 definiert)
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Dichtungen
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Dichtungen
•Statische Dichtungen
Abdichtung ruhender Bauelemente
•Bsp. bei Apparateverschlüssen, Anschlüssen, Rohrleitungen
Die Aufgabe einer Dichtung ist es bei zwei funktionsmäßig voneinander getrennten Räumen dafür zu sorgen, dass kein Stofftransport von dem einen in den anderen Raum stattfinden kann
•Dynamische Dichtung
Abdichtung rotierender oder oszillierender Bauelemente
•Bsp. Bei Rührern, Pumpen, Verdichtern, Kolben, Wellen
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Dichtungen
Statische Dichtungen
Flachdichtungen
•Zwischen ebenen Flanschdichtflächen (ganze Breite
der Dichtung Flächendichtung)
•Flansch (Dichtfläche), Schraube (Dichtpressung),
Dichtung, funktionieren nur als Einheit
•Nur durch Reibung örtlich fixiert
•Zwischen 1,5 und 3 mm Dick
•Probleme mit Sterilität (Toträume, Einschlüsse)
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Dichtungen
Profildichtungen
•Liegen nicht mehr mit ganzen Breite auf Dichtfläche
Liniendichtung
Nur in gewissen Bereich plastische Eigenschaften
erforderlich
•Steriltechnisch besser als Flächendichtungen
•Wichtigster Vertreter: O-Ring
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Dichtungen
Materialien
Voraussetzung: Plastische Eigenschaften
•Weichstoffe
•Karton, Gummi, Graphit, PTFE, Mineral/Glas-Fasern
•Hartsoffe
•Stahl, Weicheisen, Cu, Al, Ag
Anwendung bei:
•Tiefen/Hohen Temperaturen
•Hohen Drücken
•Aggressiven Medien
Achtung:
Flanschwerkstoff sollte wesentlich härter, als Dichtungswerkstoff sein
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Dichtungen
Auswahl an Flachdichtungen Auswahl an Profildichtungen
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Dichtungen
F d k KDV D D 0
Berechnung der Kräfte zum Dichtpressen/ Dichthalten im Betrieb
F d k p SDB D D 1
Mindestschraubenkraft für den Einbau:
Aufrechterhaltung der Dichtkraft:
Kennwerte für Dichtungen in :
•AD-Merkblatt B7
•DIN 2505
d D Mittlerer Dichtungsdurchmesser
Dichtungskennwert
Formänderungswiderstand
Sicherheitsbeiwert
k k1 0,K D
S D
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Dichtungen
Dynamische Dichtungen
Stopfbuchspackungen
•Strangförmiges , textiles Dichtungsmaterial mit quadratischen
oder rundem Querschnitt
zu Packungsringen geformt, mittels Stopfbuchsbrille verspannt + billig
+ in vielen Materialien lieferbar (Textile Fäden,
Festschmierstoffe usw.)
+ dichtet noch bei hohen Temperaturen
- Hohe Reibung
- Verschleiß der Welle, bzw. Packung
- Schmierung notwendig
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DichtungenDynamische Dichtungen
Gleitringdichtungen
•Axiale Kraft (Feder) drückt einen drehenden Gleitring gegen eine Festehende Gegenfläche (stationärer Ring)
•Spaltbreite weniger als 1 µm
•Spalt mit Flüssigkeitsfilm bedeckt
(Schmierung)
(Gasabdichtung Flüssigkeitszufuhr)
+geringe Leckage
+kleiner Leistungsverlust durch Reibung
+kontrollierter Verschleiß
(Welle Verschleißfrei)
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Dichtungen
Materialien für Gleitringdichtungen:
Gleitende Flächen:
•Hartkohle
•CrNiMo-Stahl
•Cr-Guß
•Wolframcarbid
•Siliciumcarbid
•Aluminiumoxid-Keramik
Gängige Paarungen:
•Hartkohle - Stahl
•Cr-Guß – Keramik
•Wolframcarbid – Wolframcarbid
•Siliciumcarbid - Siliciumcarbid
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Dichtungen
Anwendung in der Biotechnologie:Doppelte Gleitringdichtung mit steriler Flüssigkeit
•Abdichtung der Rührerwelle der Produktseite gegen die Athmosphärenseite
•Flüssigkeit: Dampfkondensat
•Funktion der Dichtung: Druckmesser
•Zur Sterilisation:
•Dampfeinleitung
•Sperrung des Abdichtgehäuses
•Kondensation des Dampfes
•Notwendiger Druck durch sterile Luft
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