Kreiselpumpe für Mikroverfahrenstechnik Neuartige Kreiselpumpe für den Einsatz in der Mikroverfahrenstechnik

KSB stellt eine "doppelte" Neuentwicklung vor: hinsichtlich der Anwendung Mikroverfahrenstechnik und der Leistung. Was die Kreiselpumpe alles kann, lesen Sie im folgenden Fachbeitrag.

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Dem Entwickler einer mikroverfahrenstechnischen Anlage standen bisher zum Fördern von Kleinstmengen auf höhere Drücke allein Verdrängerpumpen zur Verfügung: HPLC-Pumpen, Spritzenpumpen oder Membrandosierpumpen, oft für die Belange eines Labors entwickelt – und schon vom Prinzip her für die Aufgabenstellung einer kontinuierlichen Prozessführung in der Mikroverfahrenstechnik weniger geeignet. Denn diese Pumpen sind konstruktionsbedingt durch ihr pulsationsbehaftetes Fördern charakterisiert. Kleinere Schwankungen des Volumenstroms sind selbst mit aufwändigen Pulsationsdämpfern kaum zu vermeiden.

Aufgrund der kleinen Reaktionsvolumina innerhalb mikrostrukturierter Komponenten hat dies einen negativen Effekt auf die Steuer- und Kontrollierbarkeit des Prozesses und damit auf die Qualität des Endproduktes. „Die Druckpulsationen einer Verdrängerpumpe bewirken Konzentrations-Spitzen und -Senken – das ist schlecht für eine eigentlich stöchiometrische Kontaktierung im Mikromischer und die erwünschte schnelle Reaktion der Edukte“, beschreibt Dr. Bernd Werner vom IMM (Institut für Mikrotechnik Mainz) die bisherige Situation. Er schätzt zudem, dass 60 bis 80 Prozent der notwendigen Reinigungen, Wartungen und Reparaturen an mikroverfahrenstechnischen Anlagen des IMM allein den im Grunde ungeeigneten Verdrängerpumpen zuzuschreiben sind. Abhilfe tat also Not.

Sehr kleines Laufrad, hohe Drehzahlen

KSB startete die Entwicklung einer „passenden“ Pumpe zusammen mit der chemischen Industrie und Spezialisten aus dem Bereich Mikroverfahrenstechnik. Die schrieben ein anspruchsvolles Lastenheft, wie Projektleiter Axel Binder erläutert: „Die Pumpe muss pulsationsfrei fördern und ein kleines Füllvolumen aufweisen. Die Werkstoffe müssen chemisch beständig sein, das Design eine CIP-Reinigung ermöglichen. Nicht zuletzt muss der Volumenstrom präzise einstellbar sein. Und: Die Fördermengen reichen von wenigen Gramm pro Minute bis zu einigen 100 kg/h bei einem Förderdruck bis zu 25 bar.“

Ergebnis der gemeinsamen Entwicklungsarbeit ist die Microchem: Als Kreiselpumpe ausgeführt, erfüllt sie schon prinzipbedingt den größten Teil der gestellten Anforderungen, insbesondere die nach Pulsationsfreiheit.

Die Herausforderung bestand darin, das Prinzip auf kleine Förderströme und vergleichsweise hohe Drücke auszuweiten. Die bislang verfügbaren Kreiselpumpen fördern als geringsten Volumenstrom immer noch etwa 500 ml/min, erreichen dabei aber nur eine Förderhöhe von etwa 10 m – das ist für die Mikroverfahrenstechnik zuwenig.

Die Verwendbarkeit als Kleinstmengen-Förderpumpe erreichte KSB bei der Microchem in erster Linie durch eine extreme Verkleinerung des Laufrades und eine deutliche Drehzahlanhebung. Und: Die Hydraulik der Microchem ist nicht wie üblich auf einen optimalen Betriebspunkt hin entwickelt worden; Priorität hatte ein möglichst großes Kennfeld.

Um den Betriebsbereich nicht nur hinsichtlich des Volumenstromes, sondern auch hinsichtlich der Förderhöhen sehr groß zu gestalten, wurde als Antrieb ein geregelter EC-Motor gewählt. Dieser Antrieb erlaubt ein Drehzahlspektrum von wenigen 100 bis zu mehreren 1000 Umdrehungen pro Minute. Außerdem ist mit diesem Motor das exakte Ansteuern einer bestimmten Drehzahl bei hoher Drehzahlstabilität möglich. Dies sorgt für einen präzisen und konstanten Förderstrom.

Nur eine Baugröße erforderlich

Die Microchem Control Unit bietet neben der für die Ansteuerung des EC-Motors notwendigen Elektronik eine integrierte Regelung. Der Regel-Algorithmus sorgt in Kombination mit einem externen Durchflussmesser für eine hohe Genauigkeit beim Einstellen und Einhalten eines Volumenstromes innerhalb des Pumpenkennfeldes. Nach Eingabe des gewünschten Volumenstromes stellt die Pumpe selbstständig den geeigneten Betriebspunkt innerhalb ihres Kennfeldes ein. Wichtig: Der Volumenstrom wird nicht über eine Drosselung, sondern ausschließlich per Drehzahlveränderung eingestellt; eine Regelarmatur entfällt.

Die Kombination aus Kreiselpumpe und Regelung ermöglicht einen Förderstrombereich von 1 ml/min bis 5000 ml/min bei max. 25 bar Förderdruck. Dabei deckt nur eine Baugröße das gesamte Kennfeld ab. Das erlaubt den Einsatz derselben Pumpe sowohl im Labor während der Prozessentwicklung als auch bei der technischen Umsetzung im Technikum und anschließend in der Produktion. So ist sichergestellt, dass die im Labor erzielten Ergebnisse 1:1 in die Produktion übertragbar sind. Jedes Risiko infolge eines Scale-up des Prozesses entfällt.

Sowohl für das Labor als auch die Produktion

Für den Betrieb im Labor ist neben den kleinen Volumenströmen das geringe Füllvolumen der Pumpe von ca. 5 ml ein wesentlicher Vorteil, ermöglicht es doch die Arbeit mit minimalem Einsatz an Edukt (klassische Kreiselpumpen weisen ein Volumen von mehreren 100 ml bis zu mehreren Litern auf). Als Werkstoff kommt für die vom Fördermedium berührten metallischen Bauteile das chemisch resistente Material 1.4571 oder wahlweise Hastelloy C zum Einsatz. Die statischen Dichtungen sind aus hochwertigem Kalrez Spectrum ausgeführt.

Die Pumpe ist zudem für den Dauerbetrieb in Produktionsanlagen ausgelegt. Aufgrund ihres großen Kennfeldes und ihrer guten CIP-Fähigkeit eignet sich die Pumpe besonders für den Einsatz in Multi-Purpose-Anlagen. Eine optional verfügbare Wellendichtung in Quench-Ausführung erlaubt das Fördern von gefährlichen oder giftigen Medien. Schon konstruktionsbedingt senkt das kleine Füllvolumen der Pumpe das potentielle Sicherheitsrisiko.

Zum Fördern von Medien mit hohem Schmelzpunkt oder mit niedrigem Siedepunkt ist eine Fluid-Temperierung integriert. Temperierräume an der Vorder- sowie Rückseite des Pumpenraumes stellen sicher, dass sich innerhalb der zu fördernden Flüssigkeit eine homogene Temperaturverteilung einstellt.

Fazit: Die neuartige Microchem unterstreicht den Anspruch von KSB als Pumpenhersteller mit „technischer Lösungskompetenz“. Pro Jahr will der zuständige Key-Account-Manager Christoph Polzer, der für Deutschland, Österreich und Schweiz verantwortlich ist, „mehrere Hundert“ dieser Kreiselpumpen verkaufen.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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