Betriebstechnik

Ein Verfahren ist eine Abfolge von physikalischen und reaktionstechnischen Vorgängen, welcher ausgehend von Rohstoffen oder Zwischenprodukten mit prozessspezifischen Hilfsstoffen (Energien, Katalysatoren) in entsprechenden Anlagen und Apparaturen eine Stoffwandlung vollzieht und Zwischen- und Endprodukte liefert. Dabei wird immer Energie verbraucht und umgewandelt. Es fallen Nebenprodukte und Abfallstoffe an. 

Verfahrensarten: mechanische Verfahren, Thermische Verfahren, Reaktionstechnische Verfahren (Chemie, Biotechnologie) 

Apparate und Anlagen der Prozessindustrie werden im diskontinuierlichen (batch) und kontinuierlichen (stationären) Arbeitsweise betrieben. Zwischen diesen beiden Grenzbereichen existieren verschiedene Zwischenformen von Betriebsweisen (z.B. fed-batch).

Bei der diskontinuierlichen Betriebsweise laufen Füllung des Apparates, Prozessführung und Entnahme zeitlich nacheinander ab. Die Prozessgrössen werden nach den entsprechenden Prozessvorschriften eingestellt und geführt. Der gesamte Prozess wird als eine Charge betrachtet (Chargenbetrieb). Bei kontinuierlichen Systemen werden die Apparatesysteme ununterbrochen mit Prozess- und Hilfsstoffen gefüllt und gleichzeitig werden die verarbeiteten Prozessstoffe nach dem Durchlaufen der Stoffwandlung als Produkte ausgestossen. Im stationären Betrieb stehen Eingangs- und Ausgangsströme im Gleichgewicht. Die Prozessgrössen bleiben nach der Anlaufphase im stationären Betrieb über die ganze Produktionszeit an jedem Ort des Systems unverändert. 

Apparate sind Konstruktionen, in denen Stoffe umgewandelt, weiterverarbeitet, gefördert, verpackt oder gelagert werden. Verschiedene, für einen Produktionsprozess zusammengefasste Apparate werden als Anlagen bezeichnet. 

Die Instandhaltung umfasst Arbeiten und Massnahmen zur Bewahrung (Wartung) und Wiederherstellung (Instandsetzung) des Soll-Zustandes sowie zur Festlegung und Beurteilung (Inspektion) des Ist-Zustandes von technischen Mitteln und Anlagen einer Produktionsstätte.

Die Arbeiten der Instandhaltung können eingeteilt werden in

• vorbeugende Wartungen
• Notfallwartungen
• Routinewartung. 

• Technische Beschreibung oder ein anderes Dokument
• Fixiert anerkannt Regeln
•  Beschreibt charakteristische Eigenschaften und Merkmale eines Produkts, eines Prozesses oder einer Dienstleistung.
• Dienen der Standardisierung
• Werden unter Mitarbeit und Einvernehmen interessierter Kreise erstellt.
•  Private Normen haben einen unverbindlichen Charakter
• Erst durch Vorschriften bzw. durch vertragliche Vereinbarungen werden sie zwingend
• Normen, auf die der Gesetzgeber oder Behörden in ihren Erlassen (Gesetze und Verordnungen) verbindliche verweisen müssen zwingend eingesetzt werden.
• Werden im Abstand von jeweils 5 Jahren überprüft und falls kein Anlass zur Änderung besteht im unveränderten Zustand belassen, ansonsten wird sie Revidiert.
• Eine Revision einer Norm beginnt mit der Formulierung eines Antrags für ein Normenprojekt und endet mit der Verabschiedung der Norm
• Wichtige Normen werden durch nationale und internationale Normungsvereinigungen herausgegeben. 

Grundfliessschemata

Verfahrensfliessschemata

Rohrleitungs und Instrumentenfliessschematat (R&I) 

Das Grundfliessschemata zeigt in einfacher, abstrakter, schematischer Form als Kästchen die wesentlichen Verfahrensschritte sowie den Hauptstofffluss eines Verfahrens oder einer verfahrenstechnischen Anlage mit Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe.

Das Grundfliessschemata mit Grundinformationen enthält die Hauptverfahrensschritte als Wort in rechteckigen Kästchen, die Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe sowie die Fliesswege der Hauptstoffe.

Im Grundfliessschemata mit Zusatzinformationen werden zusätzlich die Mengen der durchfliessenden Stoffe und die eingesetzten Energieträger sowie charakteristische Betriebsbedingungen genannt. 

• Ein- und Ausgang der Stoffe bzw. Energien werden durch besondere „Hauptpfeile“ gekennzeichnet.
• Die Ausgangsstoffe fliessen links in das Fliessschemata.
•  Die Endprodukte fliessen rechts aus dem Fliessschemata.
• Flüssige und feste Abfallstoffe werden nach unten, Abgase nach oben wegführend eingezeichnet.
• Die Richtung des Stoff- bzw. Energiestromes wird durch Pfeile angegeben. 

Das Verfahrensfliessschemata zeigt ein Verfahren oder eine verfahrenstechnische Anlage detaillierter, weniger abstrakt und mit mehr Informationen als das Grundfliessschemata. Es ist die Darstellung eines Verfahrens mit grafischen Symbolen für die Apparate und Maschinen inklusive der Fliesslinien für die Stoff- und Energieströme.

Das Rohrleitungs- und Instrumentenfliessschema, auch als R&I-Fliessschema bezeichnet, ist die umfassendste graphische Darstellung einer verfahrenstechnischen Anlage bzw. eines Verfahrens und basiert auf dem Grund- bzw. Verfahrensfliessschemata

Es enthält neben alle technischen Ausrüstungen (Apparate und Maschinen, Armaturen, Rohrleitungen, Mess-, Steuer- und Regelgeräte) alle Informationen hinsichtlich der Mess-, Steuer- und Regelaufgaben, die die technische Realisierung des Verfahrens bzw. der Anlage ermöglicht 

„Hygienic Design ist die reinigungsgerechte oder auch reinigungsfreundliche Gestaltung von Bauteilen, Komponenten und Produktionsanlagen. Bei der konstruktiven Gestaltung werden die Anforderungen an die Reinigbarkeit berücksichtigt, so dass alle Bereiche vermieden werden, in denen sich Schmutz ansammeln kann und eine Gefahr für das Produkt (z.B. Lebensmittel) darstellen kann.

21 CFR = Code of Federal Regulation

21 ist der Teil der "Code of Federal Regulations", welche Lebensmittel und Medikamente innerhalb USA für die "Food and Drug Administration" (FDA), die "Drug Enforcement Administration" (DEA) und das "Office of National Drug Control Policy" (ONDCP) regelt

Alle Materialien, welche in Geräten und Anlagen der Lebensmittel- und der Biotechnologie oder während der Lagerung und des Transportes mit dem Produkt in Berührung kommen könnten, sollten über eine Zertifikat - bzw. Konformitätsbestätigung entsprechend 21 CFR der FDA verfügen!

·         Allgemeine Anforderungen

•  Reinigbar
•  Falls erforderlich, desinfizierbar bzw. sterilisierbar

·         Zusätzliche Informationen

• Glatt (empfohlene arithmetische Mittelrauhwert (Ra) von RA < 0.8 um à Elektropolieren) Unterstützt das Abfliessen und vermeidet rückstände, gilt nur für Stahl.
• Aus einem Stück oder versiegelt
• Selbstständig ablaufend (Neigungswinkel > 3°)
• Gut zugänglich für Inspektionen 

• Das anodisch geschaltete Werkstück wird mit Gegenkathoden versehen und in einem Elektrolyten auf Basis von konzentrierter Schwefel-/Phosphorsäure einer Gleichspannung ausgesetzt
• Temperatur von ca. 45°C
• Spannung von 6-12 V
• Dauer je nach erforderlichem Abtrag 5 – 15 Minuten

• Metallische Reinheit und Passivität
• Höchste Korrosionsbeständigkeit
• Entgratung im Mikro- und Makrobereich
• Geringe Produktanhaftung bzw. verringerte Belagbildung
• Günstiges Reinigungsverhalten
• Weitgehende Partikelfreiheit
• Verfahrens- und Produktneutralität
• Dekoratives und ansprechendes Aussehen

• Haltbar
• Reinigbar
• wenn erforderlich desinfizierbar (sterilisierbar)
• widerstandsfähig gegen Brüche, Risse, Absplittern, Abblättern und Abtragen sein
• Bei bestimmungsgemässer Verwendung das Eindringen unerwünschter Stoffe verhindern

Zusätzlich

·         korrosionsbeständig

·         nicht toxisch

·         nicht absorbierend

·         Oberflächenbeschaffenheit

·         Mechanische Eigenschaften

·         Thermische Eigenschaften

·         Chemische Beständigkeit

·         Verarbeitbarkeit

Eigenschaften

·         Hohe Korrosionsbeständigkeit

·         Hitzebeständig

·         Lebensmitteltauglich

·         Gute Verarbeitbarkeit

·         Leichte Reinigung

·         Hohe Festigkeit

·         Attraktives Aussehen

Bilden eine sich selbst wiederherstellende Oberflächenschicht (Passivschicht), die dem Werkstoff seine hohe Korrosionsbeständigkeit verleiht

DIN 1.4435   

Standardeinsatz in der Biotechnologie und höheren Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit. 

Kohlenstoff < 0.03 %

Chrom  18 %

Nickel 14%

Molybdän  3%

o   Thermoplaste

Kunststoffe, welche bei Erhöhung der Temperatur nach Überschreiten des Erweichungspunktes schmelzen, sich warmverformen lassen und nach der Abkühlung wieder erstarren, der Vorgang ist beliebig oft wiederholbar n Beispiele: Polyamide (PA), Polystyrole (PS), Polyethylene (PE)

o   Duroplaste

Kunststoffe, die durch chemische Reaktion erstarren, sie reagieren meist mit einer Polykondensation und vernetzen zu einem räumlich engmaschigen Gitter aus Makromolekülen, das dem Duroplast seine hohe mechanische Festigkeit verleiht, das Aushärten mittels Strukturveränderung des Moleküls ist nicht umkehrbar n Beispiele: Phenolharze, Melaminharze, Polyurethane (PUR) und Oberflächenlacke für Kunststoffteile

Werden vorwiegend als Dichtungsmaterial verwendet. (Teflon, Silikon)

o   Elastomere

Kunststoffe, die sich bereits bei geringer Kraftwirkung dehnen und biegen lassen und ohne Krafteinwirkung wieder zurückstellen und ihre ursprüngliche Form einnehmen, sie sind Makromoleküle, die lediglich durch wenige chemische Vernetzungsbrücken miteinander verbunden sind n Beispiele: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Silikon-Kautschuk (VMQ), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM)

Anforderungen an Klebstoffe

·      Konformitätsbestätigung

·      keine örtliche Korrosion bewirken

·      Darf Produkt nicht toxisch beinträchtigen

Anforderungen an die Klebeverbindung

·      Durchgehend geklebt

·      Mechanisch stabil unter den vorgesehenen Anwendungsbedingungen

Anforderungen:

• Konformitätsbestätigung
• Keine örtliche Korrosion bewirken
• Darf Produkt nicht toxisch beinträchtigen 

Einsatzgebiete

• Schmiermittel
• Schmiermittel für Maschinenteile und Ausrüstungen
• Tennmittel allgemein
• Trennmittel für Dichtungen, Dichtungsringen und beim Folienziehen
• Korrosionsschutz

Das Isolationsmaterial darf keine Chloride enthalten. Eindringendes Wasser kann sonst zu Chloridbildung auf Edelstahloberflächen führen, die zu Spannungsrisskorrosion und Lochfrass führen. Eindringendes Wasser verursacht zudem eine geringere Isolationswirkung. 

Flüssigkeiten, die für die Signalübertragung verwendet werden, können mit den Prozessflüssigkeiten in Kontakt kommen, wenn eine Membran durchlässig wird. Deshalb müssen diese Flüssigkeiten nahrungsmittelverträglich sein. 

Armaturen sind Komponenten in Rohrleitungen, Regeleinrichtungen, Apparaten und Anlagen. Sie dienen zum Sperren und Öffnen von Rohrleitungen, zum Verteilen und Regulieren von Stoffströmen, zum Absichern von Räumen und Medienströmen sowie der Festlegung und Regelung von physikalischen Zuständen in Rohrleitungen, Apparaten und Anlagen.

Produktberührende Armaturen unterliegen den Anforderungen des Hygiene Designs.

Bei Bedarf muss aseptischer bzw. steriler Betrieb gewährleistet werden.

• korrosionsbeständig
• nicht toxisch
• nicht absorbierend
• reinigbar
• wenn nötig desinfizierbar bzw. sterilisierbar
•  keine Toträume bilden

Im aseptischen Bereich (steril) dominieren Membranventile, auch Ventile nach dem Schlauchquetschventil, spezielle Tellerventile (mit doppelter Tellerabdichtung oder Edelstahl-Faltbelag) und Doppelsitz-Leckage Ventile sind dafür geeignet.

Aus Sicht des Hygienedesigns sind unlösbare Schweissverbindungen lösbaren Verbindungen vorzuziehen. 

Stellarmatur

 Besitzt Öffnungsgrad von 0-100%

Je nach Einheitssignal (4—20mA) wird eine beliebige Stellung eingenommen

Parameter für Öffnungsgrad

 Druck, Temperatur, Durchfluss etc.

Schaltarmatur

Haben nur den Wert 0 (Aus) und 1 (Ein)

Können also nur Ein- oder ausgeschaltet werden.

Gleiche Parameter wie Stellarmatur

·         Ferritisch (kubisch-raumzentriert),

·         Austenitisch (kubisch-flächenzentriert)

·         Austenitisch + Ferritisch ( Duplex)

·         Martensitisch   (tetragonal-raumzentriert)

kfz* Kristallgitter (*kfz = kubisch-flächenzentriert)

Nicht magnetisch

Nicht zu Härten durch Wärmebehandlung

 Härten durch Kaltumformung

Hervorragende Dehn- und Formbarkeit

Hohe Zähigkeit auch bei sehr tiefen Temperaturen

Hauptlegierungselemente Chrom, Nickel, (Molybdän)

Korrosionsresistenz

Reinheit und Passivität

Verhinderung der Emission von Partikeln in das Medium

Zuverlässige Reinigbarkeit und Sterilisation

Vermeidung von Verschmutzungen und Biofilm

Zusammensetzung

Metallurgische Einschlüsse im Bereich der Oberfläche stören die Ausbildung einer gleichförmigen chromoxidreichen Passivschicht: • Nichtmetallischer Einschluß (Al2O3) in ep Oberfläche

< 0.8 Ra            standart ist jedoch < 0.6 Ra

·         Topographie

• Bestimmt das Reinigungsverhalten
• Bildung von Biofilm und verkeimung
• Anlagerung und Freisetzung von partikeln
• Makroskopisch Messung (visuell, Rauheitsmessung)
• Makroskopische Messung (Lichtmikroskopie, Rasterelektronen Mikroskopie)

Morphologie

• Bestimmt das Korrosionsverhalten
•  Die Reinheit des metallischen Werkstoffs
• Die chemische Passivität
• Die Emission von Partikeln in das angrenzende Medium
• Messung durch Elektronenstahl Mikroanalyse, Spektrometrie
• Verringerung durch Oberflächen-verunreinigung, Schmelzverunreinigungen

·         Oberflächenenergie, spannung.

• Bestimmt die chemischen Eigenschaften der Oberfläche
•  Adhäsion, Desorption