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Massendurchflussregler: Flammeneigenschaften exakt steuern

Für die Pharmazeutik werden diverse Hohlkörper aus Glas in riesigen Stückzahlen gefertigt. Ihre Eigenschaften müssen den einschlägigen Vorschriften entsprechen. Das erfordert eine exakte Regelung der Wärmeleistung, um das Glas gezielt zu verformen, zum Beispiel mit Hilfe von Massendurchflussreglern.

Während sich an der Glasherstellung bis heute nicht viel geändert hat, sind die Anforderungen an den Prozess selbst deutlich gestiegen. Bildquelle: © Tomáš Belloň/stock.adobe.com

Während sich an der Glasherstellung bis heute nicht viel geändert hat, sind die Anforderungen an den Prozess selbst deutlich gestiegen.

Der alte Werkstoff Glas aus Sand, Soda, Pottasche und Kalk ist in moderner Rezeptur auch heute noch die Grundlage für zahlreiche pharmazeutische Gefäße wie Ampullen, Injektionsfläschchen und Spritzen. Mit der großen Bandbreite an Produkten steigt auch die Zahl der Glasrezepturen, die wiederum individuelle Fertigungsprozesse notwendig machen. Als Ausgangsprodukt dienen dabei hochwertige Glasrohre. Je nach Materialzusammensetzung haben diese klar definierten Schmelztemperaturen. Durch präzise Oxyfuel-Gasbrenner werden die Rohre lokal auf definierte Temperaturen erhitzt. So lassen sich Objekte leicht formen, Oberflächen von Produkten gut feuerpolieren und sogar kleine Risse und Unebenheiten reparieren. Voraussetzung dafür ist eine individuell einstellbare Gasflamme, bei der Brenngas und Sauerstoff ideal dosiert sind. 

Glas als durchsichtiger, weitgehend inerter und leicht formbarer Werkstoff ist ideal für eine große Anzahl individuell geformter Produkte. Gerade für die Pharmazeutik werden die je nach Anforderungen durchsichtigen oder eingefärbten Hohl­körper in riesigen Stückzahlen gefertigt. Sie müssen dabei alle den in einschlägigen Vorschriften vorgegebenen Eigenschaften entsprechen, wie zum Beispiel konstante Volumina und Wandstärken sowie präzise Sollbruchstellen. Dazu ist eine exakte Prozessführung unabdingbar. Je nach Produkt und Glasrezeptur sind für die Verarbeitungsschritte unterschiedliche Brennertemperaturen und damit verschiedene Gasmischungen und -mengen der Prozessgase erforderlich. Hier helfen moderne Massendurchflussregler (MFC) mit einem druck- und temperaturunabhän­gigen Messprinzip weiter. Sie ermöglichen eine reaktionsschnelle Gasdosierung, die eine wirtschaftliche Prozessführung auch bei Schwankungen der Gaszufuhrqualität und häufigen Produktwechseln ermög­lichen (Bildergalerie Bild 1). Damit sparen sie Energiekosten, verbessern die Prozessführung und minimieren den Abgasausstoß durch eine optimale Verbrennung. 

Glasherstellung im Wandel der Zeit 

Am Prinzip der Glasherstellung hat sich seit dem Altertum nichts geändert, nur die Methoden wurden verfeinert. Die je nach Glasart vorgemischten Rohstoffe kommen zuerst in Schmelzöfen oder -wannen, werden dort bei definierten Temperaturen aufgeschmolzen und miteinander innig gemischt. Wie bei den vorbereitenden Prozessschritten ist auch bei der folgenden Weiterverarbeitung die Einhaltung einer definierten Viskosität beziehungsweise Temperaturspanne essenziell für die Produktqualität. Ursprung der Massenfertigung von Glashohlkörpern war der hohe Bedarf an Bierflaschen gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Er führte zur Entwicklung der ersten vollautomatischen Glasflaschenblasanlage. Auch hier verfeinerten sich im Laufe der Zeit die Methoden und passten sich den gestiegenen Produkt­anforderungen an.

Für pharmazeutische Gläser werden aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen passende Glasrohre nicht geblasen, sondern aus der Schmelze gezogen und als Halbzeug für die weitere Produktion verwendet. Die unterschiedlichen Formen aus den abgelängten Rohrabschnitten ergeben sich durch abschnittsweises Erhitzen und die weitere Bearbeitung. Dabei entsteht durch zusätzlichen Gasdruck beziehungsweise weitere Ziehvorgänge die gewünschte Grundform der Flaschen, Ampullen, Röhren etc. (Bild 2).

Da das Glas im Prozess immer weiter abkühlt, ist der Rohkörper weitgehend formstabil und lässt sich weitertransportieren. In den folgenden Arbeitsschritte wird das Produkt endgültig ausgeformt (Bild 3). Darunter fallen das Ausziehen der Hälse an Ampullen, das Anbringen von Sicken und Einbuchtungen oder eine spezielle Oberflächenbehandlung, die Feuerpolitur (Bild 4). Zu diesen Zwecken muss der Glaskörper wieder, oft nur stellenweise, definiert erhitzt werden, um die Viskosität im optimalen Bereich einzustellen und damit das Glas formbar zu machen. Dabei kommen zahlreiche kleine Gasbrenner zum Einsatz, die exakt gesteuert oft nur millimeterdicke Glaswandung punktuell erwärmen.

Flammentemperatur entscheidend 

Da die Gaszusammensetzung die Flammtemperatur entscheidend beeinflusst, müssen die Brenner der Glasbearbeitungsanlagen mit exakt eingestellter Gasmischung arbeiten. Je nach Brenngas wie Wasserstoff, Erdgas oder Propan variieren die Eigenschaften der Flamme. Nun ändern sich im Praxisalltag allerdings oftmals sowohl die Druckbedingungen wie auch die Temperatur der Gase. Eine klassische volumetrische Gasmengenmessung mittels Schwebekörpern kann das nicht berücksichtigen, denn sobald sich Druck oder Temperatur ändern, messen diese Volumendurchflussmesser nicht mehr genau. Für eine moderne, rückverfolgbare und dokumentationspflichtige Produktion ist das nicht akzeptabel.

Als Alternative bieten sich hier Massen­durchflussmesser an, deren Messprinzip auf dem thermischen Verfahren basiert. Aus dem Wärmetransport des Gases kann hierbei direkt auf den Massendurchfluss geschlossen werden. Dieses Gasgewicht ist unabhängig von Gasdruck und -temperatur. Der Wärmetransport hängt dabei sowohl von der Masse der einzelnen Gasmoleküle als auch von der absoluten durchgeströmten Gasmenge ab. Leichte Gase wie Wasserstoff nehmen schnell viel Hitze auf, schweres Propan weniger. Aus diesem Grund lassen sich die Sensoren auf mehrere Gasarten im Voraus justieren.

Bei den zumeist eingesetzten Massen­durchflussreglern findet diese Messwert­erfassung in einem Nebenkanal statt. Ein Laminar-Flow-Element im Hauptkanal erzeugt einen geringen Druckabfall, welcher einen definierten, kleinen Teil des Gesamtdurchflusses durch den Nebenkanal treibt. Gemessen wird in einem speziell geformten Strömungskanal, an dessen Wandung ein Silizium-Chip mit einer freigeätzten Membran sitzt (Bild 5).

Auf dieser Membran ist ein Heizwiderstand symmetrisch zwischen zwei Temperatursensoren aufgebracht, die die Gastemperatur vor und nach der Erwärmung messen. Bei einer konstanten Spannung am Heiz­widerstand ist die Differenzspannung der Temperatursensoren ein Maß für den Massendurchfluss des strömenden Gases. 

Rezeptursteuerung per Bus

In einer solchen Anlage kommen oft bis zu 60 Brenner zum Einsatz, was bedeutet, dass bis zu 120 Massendurchflussregler über das Gasgemisch wachen. Diese können zu einer kompakten und individuellen Systemlösung verbaut werden und kommunizieren untereinander – je nach Kundenwunsch über verschiedene Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Standards. Dazu kommen oftmals noch Sicherheits-Absperrventile für jeden Gasstrang, die ebenfalls Teil des intelligenten Brennersteuerungsblocks sein können.

Dank des modularen Aufbaus können diverse Bussysteme (Profinet, Profibus-DP, Modbus-TCP, Ethernet/IP oder EtherCAT) unterstützt werden, die Integration in bestehende Anlagensteuerungen wird dadurch erheblich erleichtert. Für schnelle, marktangepasste Produktwechsel können in der übergeordneten Steuerung die passenden Rezepturen hinterlegt werden und müssen in der Praxis dann nur noch per Knopfdruck geladen werden. Dabei senden die Feldgeräte rund um die Uhr wichtige Informationen über den Gerätezustand und den Prozess zur Anlagensteuerung. So ist eine vorbeugende Wartung möglich.

Sollte es einmal zu einer Störung kommen, kann diese schnell lokalisiert und behoben werden. Das Konzept ermöglicht so eine flexible, aber dennoch robuste und wirtschaftliche Prozessführung im Sinne des Trends zur Digitalisierung und Automatisierung von Produk­tionsprozessen.

Zuerst gesehen
Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 1 vom 04.02.2019. Hier geht’s zur vollständigen Ausgabe.