Bioverfahrenstechnik – Materialien – Oberflächen - Dichtungen Fermenterbau Fermenterbau Materialien Oberflächen Dichtungen Yingxue Zhang Jörg Döllinger

Bioverfahrenstechnik – Materialien – Oberflächen - Dichtungen

FermenterbauFermenterbau

Materialien

Oberflächen

Dichtungen

Yingxue Zhang

Jörg Döllinger

Philipp Schönberger


Materialien


Richtlinien

Druckbehälter Verordnung Technische Regeln für Druckbehälter Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter

(AD Merkblatt)


Richtlinien


Anforderung an das Material

pH: neutral T: 20°C – 80°C p: 1bar

Sterilisation ausgelegt für 140°C & 3bar


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)


Material: Glas

mikrobiologisch indifferent

hinreichend wärmebeständig

glatte Oberfläche gut reinigbar

transparent

spröde

leicht zerbrechlich schlechte

Wärmeleitfähigkeit fördert Verspannung


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





Vorteil gute Zugfestigkeit gut verarbeitbar Austenitstahl:

verbesserte Wärme-/ Korrosionsbeständigkeit, nichtmagnetisch

Nachteil Herauslösen von

Legierungsbestandteilen (häufig Schwermetalle)



Häufig verwendet:Deutschland: 1.4571 & 1.4435USA: 1.4435 & 1.4306


Materialauswahl

Kompromiss zwischen

Materialkosten

Verfügbarkeit

chem.-phys. Anforderung des Prozesses


Oberflächen


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


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)


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


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


Schematischer Überblick der Oberflächenbehandlung

unbehandelter Kessel

Chemisches Glätten

Polieren

Elektropolieren

Passivieren

behandelter Kessel


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


Chemisches Entgraten

Nadelspitze vor und nach dem chemischen Entgraten/Glätten


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



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.



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


Elektropolieren

Rauhigkeiten der Oberfläche nach mechanischem (li.) und elektrischem Polieren (re.)


Elektropolieren

Keimzahlentwicklung in Abhängigkeit von der Inkubationsdauer bei 30°C


Elektropolieren

links: elektronenstrahlgebohrte Filterplattemitte: nach dem mechanischen Polierenrechts: nach dem Elektropolieren



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


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)


Dichtungen


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


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)


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


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


Dichtungen

Auswahl an Flachdichtungen Auswahl an Profildichtungen


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


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


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)


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


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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