Stutzenarmatur Neue hygienische Stutzenarmatur zum Einbau von pH-, Sauerstoff- oder Leitfähigkeits-Prozesssensoren

Prozessanschluss und Einbauarmatur verschmelzen jetzt zu einer Einheit. Die Hygenic Sockets vereinfachen Einbau, Wartung und Reinigung von ph-Sensoren und verbessern die Steril- und Personensicherheit.

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Hamilton Bonaduz AG Business Unit Process Analytik

Armaturen sind ein zwar auf den ersten Blick unscheinbares, aber dafür um so wichtigeres Detail an Fermentern, Bioreaktoren und Kesseln. Wer pH-Sensoren in Behälter und Rohrleitungen einbauen wollte, griff bisher zu 25 mm-Stutzen, Clamp- und Flanscharmaturen, musste allerdings einige Nachteile in Kauf nehmen, was Reinigung, Wartung und Einbau betrifft.

Eine neue Stutzenarmatur von Hamilton Bonaduz beseitigt nun viele dieser Schwächen. Der Hygienic Socket besteht von außen betrachtet aus einem schlanken Stahlmantel, der oben mit einem PG 13.5-Innengewinde zum Einschrauben des Sensors und unten mit einem in einer Öffnung positionierten O-Ring versehen ist.

Ist ein Sensor in den Stutzen eingeschraubt, dichtet der O-Ring spaltfrei gegen den Prozess ab. Ein in den Stahlmantel geschobenes Modul hält den O-Ring fest, sodass er beim Herausziehen des Moduls leicht visuell überprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden kann. Wird der Sensor ein wenig lose geschraubt, entspannt sich der O-Ring wieder.

Das vermeidet eine Reibungsbelastung des Dichtrings und ermöglicht die weiter unten aufgeführte Life Guard-Funktion. Ein zusätzliches Plus ist die Toleranz gegen thermische Deformationen etwa durch Schweißen.

Platzsparender Einbau

Der Stahlmantel lässt sich mit nahezu beliebiger Einbautiefe in eine dafür vorgesehene Bohrung in der Behälterwand einschweißen. Auch der Platzbedarf auf dem Behälter oder dem Rohr verringert sich gegenüber einer Flanscharmatur oder einem 25 mm-Stutzen mit eingebauter Armatur. Der Mitarbeiter muss zum Entfernen und Einbau der Armatur keine große Überwurfmutter drehen, wofür mindestens 80 mm Platz für die Finger nötig sind.

Dadurch lässt sich der Stutzen in kleinere Behälter oder Leitungen einbauen als herkömmliche Modelle. Abgesehen vom Durchmesser des Stutzens begrenzt nur die Länge des Sensors, der in den Hohlraum hineinragt, die minimale Größe des Rohrs oder Tanks.

Die neue Armatur vereinfacht auch den Austausch beschädigter O-Ringe bei Wartungsarbeiten: Zum Einen muss nur noch ein O-Ring ausgetauscht werden, statt zwei wie bei den 25mm-Stutzen. Und zum Anderen ist der Austausch mit wenigen Handgriffen zu bewerkstelligen.

Leicht lässt sich ein Modul aus dem Inneren des Stutzens herausziehen, an deren unterem Ende der O-Ring sitzt. Dieser wird von einem Stahlreif gehalten. Der Stahlreif ist abziehbar, sodass man leicht und zerstörungsfrei an den Dichtungsring kommt.

Um Hygiene zu garantieren, ist die neue Armatur entsprechend den Empfehlungen der EHEDG konstruiert worden. Wird der Stahlmantel bündig zur Behälter- oder Rohrinnenwand eingeschweisst, entsteht an dieser Stelle auch dank der geschickten Anordnung des O-Rings keine Vertiefung.

CIP-Düsen können diese Stelle daher ebenfalls reinigen und es entsteht kein Totraum. Da anstelle eines pH-Sensors ein Adapter eingeschraubt wird, ragen Leitfähigkeits- oder Sauerstoffsensoren kaum in den Behälter hinein, sondern schliessen nahezu bündig mit der Behälterwandung ab. Dadurch verschwindet ein Hindernis, an dem sich Ablagerungen bilden können oder die Strömung gebremst wird: Die Anlage ist besser zu reinigen.

Steril und sicher

Die Sterilarmatur ist nicht nur Platz sparend, leicht zu warten und zu reinigen – sie ist auch für den Anwender sicherer als die meisten Armaturen. Dafür sorgen zwei seitliche Löcher im Stahlmantel, die als „Life Guard“ bezeichnet werden, da sie im Extremfall das Leben eines Menschen retten können. Sobald der Sensor zur Demontage losgeschraubt wird, dichtet der O-Ring zwischen Sensor und Stahlmantel nicht mehr.

Prozessmedium gelangt ins Innere des Stahlmantels und entweicht durch die „Life Guard“-Löcher nach außen, noch bevor der Sensor völlig herausgeschraubt ist. An der heraustropfenden Flüssigkeit merkt man bevor der Sensor durch den Raum schießt, dass noch Prozessmedium anliegt, und der Sensor kann wieder festgezogen werden. Der Stutzen ist jetzt zwar verunreinigt. Das stellt aber kein großes Problem dar, da er sich durch die beiden Löcher in seiner Außenwand z.B. mit einer Wasserspülung reinigen lässt.

Bei einem 25 mm-Stutzen kann es hingegen schlimme Folgen haben, wenn der Sensor unachtsam herausgedreht wird. Steht der Tank unter Druck, schießt der Sensor wie ein Geschoss heraus und schlagartig spritzt ein Teil des möglicherweise ätzenden oder giftigen Tankinhaltes heraus.

Da in kaum einer Branche die Reinheitsanforderungen so hoch sind wie in der Pharma- und Biotechbranche, kann die Stutzenarmatur nicht nur prozessseitig sterilisiert werden, sondern ist auch autoklavierbar und zwar komplett mit eingestecktem Innenleben, Modul und eingebautem Sensor.

Zudem können die Life Guard-Öffnungen auch zur Dampfsterilisation des Elektrodenschafts verwendet werden. Dabei entfällt dann allerdings die Funktion zur Personensicherheit. Um eine Dampfsterilisation zu beschleunigen, sind im Einsteckmodul grossflächige Löcher angebracht, durch die der Dampf schnell durchströmen und sich verteilen kann.

Nachteile sind beseitigt

Der neue und zum Patent angemeldete Einbaustutzen hilft, einige der Nachteile zu beseitigen, mit denen konventionelle Einschweißstutzen und Clamp-Armaturen für Sensoren behaftet sind.

Einschweissstutzen mit Armatur

Der 25 mm-Stutzen verfügt über ein G1-1/4“ Außengewinde, an das mit einer Überwurfmutter die Armatur festgeschraubt wird, die den Sensor hält. Die so befestigte Armatur besteht aus einem Flanschrohr, das am oberen Ende mit einem Innengewinde zur Befestigung des Sensors versehen ist. Am anderen, dem Prozess zugewandten Ende der Armatur befinden sich an der Innen- und Außenseite des Flanschrohrs je ein O-Ring (Stutzen-Armatur, Armatur-Sensor), um die Anlage abzudichten.

Ein erstes Problem kann bereits beim Anschweißen des Stutzen auftreten: Durch die Hitze beim Schweißen kann sich der Stutzen verziehen, sodass seine Öffnung nicht mehr exakt kreisförmig ist. Wird nun das Flanschrohr der Armatur eingeführt, schließt es an der Stelle des O-Rings nicht mehr exakt. Um die Öffnung des Stutzens in die richtige Form zu bringen, ist aufwändiges Reiben nötig.

Außerdem ist der Stutzen (über 40 mm Außendurchmesser) aufgrund seiner Größe zur Befestigung von Sensoren an kleineren Rohren oder Tanks ungeeignet. Ein weiteres Problem ist, dass der O-Ring des Flanschrohrs und die Innenwand des Tanks, an den der Stutzen mit der Armatur angebracht ist, nicht auf derselben Höhe sind. Dadurch entsteht ein schmaler Spalt, der sich nur schwer vom Innern des Tanks her reinigen lässt. Um die Hygiene zu gewährleisten, muss die Armatur zur Reinigung immer wieder ausgebaut werden. Das kostet Zeit, außerdem kann die Innenseite des Stutzens bei der Wartung Kratzer bekommen, die wiederum die Reinigung erschweren.

Soll der Sensor tiefer in den Prozess eintauchen, benötigt man häufig speziell gefertigte Armaturen. Auch Variationen der Stutzenlänge können individuelle Armaturen erforderlich machen, damit der O-Ring in der richtigen Position sitzt. Solche Spezialanfertigungen erhöhen den Preis.

In kritischen Prozessen müssen medienberührte Dichtungen öfter ausgetauscht werden. Um die Armatur dafür immer wieder ein- und ausbauen zu können, wird Platz benötigt, um die Überwurfmutter der Armatur von Hand zu verschrauben. Dadurch vergrößert sich der Platzbedarf für den Sensor noch über den Radius des Stutzens auf mindestens 80 mm. Zudem erreicht man den kleinen O-Ring, der den Sensor gegen die Armatur dichtet, ziemlich schlecht. Ist die Armatur Vibrationen ausgesetzt, so besteht die Gefahr, dass sich die Überwurfmutter löst, und die Armatur vom Prozessmedium aus dem Einschweissstutzen herausgedrückt wird.

Clamp-Armaturen mit Sensoren

Für bessere Hygiene werden gern Armaturen verwendet, die mit einer Klammer (Clamp) an einen entsprechenden Prozessanschluss befestigt werden.

Vorteil dieser Methode ist, dass bei bestimmten Modellen dieser Bauart kein enger Spalt an der Innenseite des Behälters oder des Rohranschlusses auftritt, wo die Armatur befestigt ist: Der abdichtende O-Ring befindet sich auf einer Ebene mit der Behälterwand. Dadurch lässt sich der Sensor gemeinsam mit der Innenwand, an der er befestigt ist, durch heißen Dampf reinigen, ohne die Armatur ausbauen zu müssen. Die Armatur ist CIP-tauglich.

Nachteil ist hier, dass die Prozessanschlüsse viel Platz benötigen. Daher eignen sie sich nur zum Einbau an Rohren oder Tanks mit größerem Durchmesser.

Die Größe erschwert auch den Einbau mehrerer Sensoren an einen Behälter oder Rohr. Durch den Platzbedarf der Armaturen ist nämlich der minimale Abstand zwischen den Sensoren recht groß. Daher muss der Behälter, wenn viele Sensoren an ihm angebracht werden sollen, möglicherweise größer sein, als es optimal wäre. Bei Rohren kann sich ein zu grosser Durchmesser hinsichtlich der Durchflussgeschwindigkeit oder des Transfervolumens negativ auswirken.

Fazit

Mit Platz sparendem Design, guter Sterilisierbarkeit und einfacher Wartung ist der Hygienic Socket für den Einbau in Fermenter der Biotechnologie oder Lebensmittelindustrie prädestiniert. Speziell bei der Erstausstattung einer Messstelle kann der Anwender Geld und später Zeit für Reinigungs- und Wartungsarbeiten sparen.

Alle Neuheiten auf einen Blick

CIP-Reinigungen, Sterilisationen und Autoklavierungen sind problemlos.

Nur eine Dichtung zum Prozess: ein O-Ring dichtet hygienisch den Sensor zum Prozess ab. Die visuelle Überprüfung und der Austausch erfordern nur wenige Sekunden. Eine zweite Dichtung – zwischen Armatur und Stutzen – entfällt.

Geringer Platzbedarf: mit einem Gesamtdurchmesser von nur 28 mm ist der Hygienestutzen eine kompakte Lösung für den Einbau von pH-Sensoren in Stahlrohre, Fermenter oder andere Behälter.

Kleinere Rohrdurchmesser: der Hygienic Socket ist für kleinere Rohrdurchmesser geeignet als bisherige Prozessanschlüsse.

Variabler Einbau: die Eintauchtiefe, mit der ein Sensor in den Prozess ragt, kann beim Einbau problemlos variiert werden.

Nachbearbeitung ist unnötig – etwa durch Reiben wie nach dem Anschweißen eines 25 mm-Stutzens.

Personensicherheit: zwei Sicherheits-Öffnungen warnen beim Ausbau des Sensors vor einem unkontrollierten Austreten von Prozessmedien.

S.Worbs ist im Application Support, Sensors tätig, D.Tillich ist Director Marketing & Sales, Sensors der Hamilton Bonaduz AG

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