Üblicherweise wird ein Verfahren im Labor entwickelt und dann in Technikum oder auch in Miniplants zur Produktionsreife weiterentwickelt. Beim Scaling-up können eine ganze Reihe von Problemen auftauchen. Ein Beispiel ist die Temperaturentwicklung. Im Labormaßstab kann ein Prozess endotherm, im Prozessmaßstab aber exotherm verlaufen. Auch das Regelverhalten der Pumpen im Zusammenspiel mit der Peripherie ändert sich in vielen Fällen mit dem Produktionsmaßstab. Ein abgestimmtes Pumpen- und Antriebskonzept erleichtert aber das Scale-up. Gather setzt hier auf seine magnetgekuppelten Pumpen, die in so breiter Palette zur Verfügung stehen, dass bei einem Scale-up vom Labor bis zur Produktion die Pumpen- und Steuerungstechnik beibehalten werden kann. Sven Borghoff, Vertriebsleiter bei Gather Industrie, skizziert die Hintergründe.
Im Labor werden neue Produkte entwickelt und mit kleinen Mengen die ersten Produktionsmöglichkeiten durchgespielt. In sogenannten Miniplants erlangen die Konzepte unter realen Bedingungen ihre Produktionsreife. Daraufhin erfolgt das Scale-up zur Produktionsanlage. Heute sind dabei Scale-up-Schrittweiten von 1 : 8000 üblich.
Um die moderne Mess- und Regeltechnik für die im Labor benötigten Kleinstmengen einsetzen zu können, bedarf es beispielsweise leistungsfähiger Pumpen, die auch kleinste Stoffmengen pulsationsfrei fördern und damit eine präzise, reproduzierbare Dosierung gewährleisten. Die Pumpen müssen aus chemisch und thermisch beständigen Werkstoffen wie Edelstahl, Hastelloy, Titan oder anderen Sonderlegierungen bestehen.
Die verwendete Antriebstechnik – meist mit Drehzahlsteuerung – muss universell nutzbar und in das Mess- und Regelsystem leicht zu integrieren sein. Das Pumpensystem muss darüber hinaus noch weitere Anforderungen in Labor, Miniplant und Produktion erfüllen:
- Im Labor benötigt man die maximal mögliche Flexibilität in der Verwendung von unterschiedlichen Pumpensystemen.
- In der Miniplant werden besonders in der chemischen Industrie hermetisch geschlossene Pumpen benötigt, um jedwede gesundheitliche Gefährdung auszuschließen. Diese fördern über einen möglichst großen Stellbereich kleinste Mengen pulsationsfrei und müssen für die Reinigung der Anlage auch heiße Lösemittel fördern können. Die Lebensdauer muss die einer Prozesspumpe sein, damit die Produktion nicht unterbrochen wird, denn es handelt sich schließlich um eine Kleinproduktion unter realen Bedingungen. Zur besseren Regelung und Auswertung werden die Pumpen in einen Regelkreis eingebunden. Die Mess- und Regeltechnik im Zusammenspiel mit der Antriebs- und Steuerungstechnik sollte in gleicher Weise auf die Produktion abgebildet werden können, um Zeit und Kosten zu sparen.
- In der Produktionsanlage sind die Anforderungen an die Pumpensysteme denen in der Miniplant sehr ähnlich. Da allerdings die Prozessparameter der Pumpen relativ fest stehen, ist eine hohe Flexibilität nicht mehr notwendig. Lebensdauer und Wartungsfreundlichkeit stehen im Zentrum des Interesses, damit ein Produktionsstillstand vermieden wird. Darüber hinaus erfolgt auch hier der Betrieb der Pumpen im Regelkreis zur Einbindung ins PPS, um die Dokumentation der Qualität des Endproduktes zu gewährleisten und einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen.
Umsetzung in die Praxis
So unterschiedlich sich diese Anforderungen auch anhören, sie lassen sich auf zwei entscheidende Kerneigenschaften reduzieren. Die eine ist eine pulsationsfreie Fördercharakteristik der Chemie-Prozesspumpe, die andere eine multifunktionelle Antriebstechnik.
Der erste Punkt ist schnell abgehakt: Alle Kreisel- (Abb. 1) und Zahnradpumpen von Gather besitzen eine pulsationsfreie Fördercharakteristik und sind durch die Magnetkupplung hermetisch geschlossen (TA-Luft-konform). Pulsationsfrei ist jedoch nicht gleich pulsationsfrei. Es empfiehlt sich hier zwischen Schwingung und Pulsation zu unterscheiden. Zahnradpumpen schwingen und sind dabei immer pulsationsfrei, da sie keinen Einzelimpuls erzeugen.
Wie wenig die Zahnradpumpe von Gather schwingt, zeigen die mittels Piezoquarz aufgenommenen Werte (Abb. 2). Die Schwingungen liegen unter 10 mbar und werden von Durchflussmessgeräten in dieser Größenordnung und Frequenz kaum oder gar nicht wahrgenommen. Das erhöht die Zuverlässigkeit der Dosierung erheblich, da der Regelkreis insgesamt auch nicht so stark schwingt. Die robuste Bauweise dieser Pumpen garantiert zusätzlich Langlebigkeit und Zuverlässigkeit.
Was die Antriebstechnik angeht, bieten sich verschiedene Konzepte an, die entweder individuell für Labor, Technikum oder Produktion ausgeführt werden oder auch übergreifend. Basis ist die bewährte LAB-Antriebs- und Steuerungsserie. LAB 10 ist ein kompakter Laborantrieb (Abb. 3). Es handelt sich um einen einfachen Gleichstrom-Servomotor, der in ein Gehäuse eingebaut ist und entweder mit einem Potentiometer oder einem externen Sollwert (010 V, 020 mA) in der Drehzahl verstellt werden kann. An ihm kann sowohl die Zahnradpumpe als auch die Kreiselpumpe betrieben werden.
Die Steuerungen LAB 20 und LAB 22 sind übergreifend vom Labor bis zur Produktion einsetzbar. Da es sich im Wesentlichen um Frequenzumrichter-gestützte Antriebsvarianten handelt, können die Parameter der Programmierung sogar auf Anlagenkonzepte für den explosionsgefährdeten Bereich (Atex) übertragen bzw. auch für den anwendereigenen Steuerungsstandard übernommen werden.
Kosten- und Zeitersparnis inklusive
Betreiber in Universitäten und Unternehmen heben die große Zeitersparnis lobend hervor, die durch die Verwendung dieses Konzeptes möglich ist, um ein Verfahren vom Labormaßstab bis hin zur fertigen Produktionsanlage zu realisieren. Die modular aufgebauten Pumpensysteme ermöglichen eine einfache Anpassung an veränderte Förder-, Temperatur- und Druckbedingungen.
