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Meilensteine Vakuumtechnik Ohne das Nichts läuft nichts! Warum Vakuum nicht gleich Vakuum ist

Autor: Sabine Mühlenkamp

Es ist zwar nur ein Nichts, aber das hat es in sich! – Denn ohne Vakuum wären viele alltägliche Dinge nicht möglich, seien es Brillen, Smartphones, Medikamente oder länger haltbare Lebensmittel. Pfeiffer Vacuum ist seit mehr als 125 Jahren ein Synonym für hochwertige Vakuumtechnik. Dabei ist es nicht die Technik an sich, die das Unternehmen auszeichnet, sondern vor allem das Gespür für die unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Branchen.

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Ob Verdampfung, Sublimation, Rektifikation, Filtration, Trocknung oder Förderung: All diese Verfahrensschritte chemischer Prozesse werden durch Vakuum beschleunigt oder überhaupt erst möglich gemacht. Die Faszination für das Vakuum und seine Möglichkeiten wird bei Pfeiffer Vacuum seit mehr als 125 Jahren gelebt. Auch für Industrie 4.0 ist man bestens gerüstet.
Ob Verdampfung, Sublimation, Rektifikation, Filtration, Trocknung oder Förderung: All diese Verfahrensschritte chemischer Prozesse werden durch Vakuum beschleunigt oder überhaupt erst möglich gemacht. Die Faszination für das Vakuum und seine Möglichkeiten wird bei Pfeiffer Vacuum seit mehr als 125 Jahren gelebt. Auch für Industrie 4.0 ist man bestens gerüstet.
(Bild: © Sean Pavone 2013/Pfeiffer Vacuum; © Kalyakan - stock.adobe.com [M]-Grimm)

Es wäre zu einfach, würde man Pfeiffer Vacuum nur als eines der führenden Unternehmen in der Vakuumtechnik bezeichnen. Schaut man genauer hin, findet man Meister in puncto Innovation, die sich vor allem durch die Fähigkeit auszeichnen, sich auf die Anforderungen der Kunden einzustellen und für diese individuelle Lösungen zu entwickeln. Dabei brachten und bringen die Vakuumspezialisten im hessischen Asslar auch immer wieder neue Technologien hervor, die neben der eigentlichen Vakuumerzeugung benötigt werden: von der Vakuummessung über die Lecksuche bis zu Analysesystemen.

Doch zu den Anfängen: Gegründet im Jahr 1890 von Arthur Pfeiffer, zählte das Unternehmen bereits Ende der 1920er Jahre, u.a. dank seiner Öl-Luftpumpe, zu den führenden Unternehmen der Vakuumtechnik. 1929 konnte der Firmengründer auf einer Messe in Leningrad bereits über 50 Pumpentypen für Pharmazie und Chemie präsentieren. 1958 revolutionierte die Turbomolekularpumpe, erfunden von Willi Becker, die Vakuumtechnik. Sie wurde als „Turbopumpe“ zum Gattungsbegriff und kann als eine der bedeutendsten Erfindungen in diesem Forschungsbereich bezeichnet werden. 1966 wurde der erste im eigenen Haus konzipierte und entwickelte Helium-Lecksucher ASM 4 patentiert. Die Markteinführung dieses Produkts markierte einen weiteren Meilenstein. Heute ist Pfeiffer Vacuum einer der führenden Anbieter von Lecksuch-Technik.

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Prozessindustrie stellt heterogene Anforderungen an Vakuumtechnik

Zuhause ist die Vakuumtechnik in vielen Branchen mit unterschiedlichsten Anforderungsprofilen. Doch die Verfahrenstechnik und die damit verbundenen verfahrenstechnischen Anforderungen sind ein stark wachsender Markt, der rund 20 % des Konzernumsatzes ausmacht bzw. – in Euro ausgedrückt – 130 Millionen schwer ist. „Unser Ziel ist es, uns in dieser Branche stärker hervor zu tun“, gibt Wolfgang Bremer, Leiter der Product Group Industrial Vacuum bei Pfeiffer Vacuum, die Marschroute vor.

Eine Branche, die – gerade wegen ihrer Besonderheiten – nicht immer zu den technisch einfachsten zählt. Im Gegensatz zur Halbleiter­industrie, die ebenfalls eine wichtige Zielgruppe ist, stellt das vorwiegend mittelständisch geprägte Marktumfeld der Prozessindustrie sehr heterogene Anforderungen. „Hier müssen viele Probleme individuell gelöst werden“, bringt es Bremer auf den Punkt.

Große Unterschiede von Branche zu Branche

Fakt ist: Alle Branchen unterscheiden sich in ihren Ansprüchen an die Vakuumtechnik. Salopp ausgedrückt: In der Halbleiterindus­trie wird z.B. alles eingesetzt, was technisch möglich ist, während in der Metallurgie bewährte und robuste Standardprodukte gefragt sind. So werden in der Stahlentgasung hochwertige Stahllegierungen erzeugt.

Vakuumtechnik wird hier benötigt, um dem Stahl Wasserstoff und Stickstoff zu entziehen und auf diese Weise den Kohlenstoff-Gehalt genau einzustellen. „Ich glaube, man tut der Branche keinen Abbruch, wenn man sie als dreckig bezeichnet“, schmunzelt Bremer. Zudem sind in dieser Branche Chargen bis zu 100 Tonnen an der Tagesordnung.

Im krassen Gegensatz dazu steht die Pharmaindustrie: Bei der Gefriertrocknung für Impfstoffe, Antibiotika und andere Medikamente sind nicht nur die Chargen um Dimensionswelten kleiner. Auch „dreckig“ geht hier gar nicht, ein steriles Produktionsumfeld ist oberste Prämisse. Daher werden in der Pharmaindustrie oft trocken verdichtende Schraubenvakuumpumpen (Baureihe Heptadry) in Kombination mit Wälzkolbenpumpen (Baureihe Oktaline) eingesetzt.

Zudem haben die Vakuumexperten bei Pharmaanwendungen nicht nur die Pumpen im Blick, vielmehr den gesamten Prozess. Das schließt die Überwachung von Druck und Gaskomposition ein, wie auch die Kontrolle und das Management von möglichen Nebenprodukten. Hierfür bietet Pfeiffer Vacuum spezielles Zubehör, z.B. für die In-situ-Reinigung der Pumpen im Prozess, betont Bremer.

Doch auch innerhalb einer Anwendung gibt es große Unterschiede. Beispiel Gefriertrocknung: „Allein auf dem Gebiet der Gefriertrocknung müssen für jedes Produkt – also unabhängig davon, ob es sich um Kaffee, Früchte oder Medikamente handelt – ganz unterschiedliche Verfahren und Technologien eingesetzt werden“, beschreibt Bremer die Herausforderungen. So werden bei der Trocknung von Früchten aufgrund der niedrigen Investitionskosten hauptsächlich Drehschieberpumpen verwendet.

Warum Vakuum nicht gleich Vakuum ist

Diese haben sich dort seit Jahrzehnten bewährt. Bei der Kaffeetrocknung hingegen kommen trocken verdichtende Schraubenpumpen zum Einsatz. Drehschieberpumpen sind hier weniger geeignet, da die aus dem Kaffee austretende Gerbsäure das Öl angreifen würde. Bei beiden Prozessen werden in den Produktionsanlagen zudem zusätzlich Wälzkolbenpumpen (Oktaline) eingesetzt, um die Abpumpzeit und das erreichbare Vakuum zu verbessern. Verfahren und Technologien genau auf das Produkt abzustimmen, gehört zu den Stärken von Pfeiffer Vacuum.

Bei allen Unterschieden – eine Gemeinsamkeit haben alle Anwendungen, wie Bremers Kollege Daniel Kuchenbecker, Market Management Industry, lächelnd anmerkt: „Kaum ein Anwender aus dem Prozessbereich möchte eigentlich Vakuum haben“, denn Vakuum sei natürlich immer ein Kostenfaktor. „Umso mehr schätzen es die Anwender, wenn sie dann für ihre Prozesse die optimale Vakuumtechnik und vor allen Dingen eine effiziente und kostengünstige Lösung erhalten.“

Die Applikation verstehen und den Prozess optimieren

Bremer macht deutlich, dass es bei der Vakuumtechnik keine Lösung von der Stange gibt: „Jede Anwendung benötigt sehr spezifisches Know-how und Erfahrung.“ Und davon hat Pfeiffer Vacuum in seiner langen Firmengeschichte viel. Gerade in der Prozessindustrie geht es dabei häufig darum, die Technologie an die Applikation des Kunden anzupassen, indem beispielsweise andere Dichtungskonzepte oder Motoren mit besserem Wirkungsgrad und höherer IP-Schutzklasse verwendet werden.

„Bei jeder Anfrage haben wir den gesamten Prozess des Kunden im Blick. Ziel muss es immer sein, den gesamten Prozess zu optimieren“, fasst Kuchenbecker die Herangehensweise zusammen. Dabei setzen die Vakuumspezialisten auf „Pumpen, Messen und Qualifizieren“, was sich auch im Produktportfolio widerspiegelt. „Nur bei Berücksichtigung all dieser Faktoren, kann man die entscheidende Frage vieler Kunden beantworten – nämlich, ob man das gewünschte Produkt überhaupt bieten kann“, macht Kuchenbecker deutlich.

Das vielfältige Produktprogramm ist hier ein Trumpf, den Pfeiffer Vacuum ausspielen kann. Heute umfasst es neben den Drehschieber-, Membran-, Schrauben-, Wälzkolben- und Turbopumpen auch Analysesysteme (Massenspektrometer, optische Emissionsspektroskopie) sowie Lecksucher, Ventile und Kammern als wichtige Produktreihen. Last not least wird neben dem eigentlichen Prozess dessen Überwachung immer wichtiger, weil man darüber frühzeitig in den Prozess eingreifen und feinjustieren kann, etwa in dem man Druck, Temperatur oder Gaszusammensetzung anpasst. „Für die Qualitätssicherung ist es beispielsweise wichtig, die Prozessgaszusammensetzung zu einem sehr frühen Zeitpunkt festzustellen, damit man eventuell korrigierend eingreifen oder entsprechende Warnungen aussprechen kann“, weiß Vakuumtechnik-Spezialist Bremer.

Im Folgenden werden einzelne Meilensteine im Produktprogramm von Pfeiffer Vacuum näher beleuchtet.

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Am Anfang war die Drehschieberpumpe

Beginnen wir mit den Vakuumpumpen und reisen zunächst in die Vergangenheit: Die Ursprünge der ölüberlagerten Drehschieberpumpen liegen über 120 Jahre zurück. „Eigentlich denkt man, dass diese Technologie ausgereizt ist, aber wir haben immer wieder Innovationen hinein gebracht“, so Kuchenbecker. „Dabei geht es nicht nur um Verbesserungen an der Basistechnologie, als vielmehr um aktuelle Themen. So lässt sich beispielsweise heute an der Energieeffizienz und am Monitoring arbeiten.“ Weitere ausgewählte Vakuumtechnik-Pumpen-Meilensteine: 1973 stellt Pfeiffer Vacuum (auf der Achema) mit der WGK 250 eine gasgekühlte Wälzkolbenpumpen-Baureihe vor und erweitert damit den Einsatzbereich dieser im Allgemeinen als Roots-Pumpen bezeichneten Vakuum-Pumpen enorm. 1996 tritt mit den Drehschieberpumpen der Duo M-Reihe die Magnetkupplung und damit verbunden der Wegfall von verschleißenden Dichtungen ihren Siegeszug in der Vakuumtechnik an. 2003 setzte die Magnetkupplung ihren Siegeszug bei den Wälzkolbenpumpen fort. 2016 wurde die Drehschieberpumpe Duo 11 Atex für Prozesse in explosionsgefährdeter Umgebung oder zum Fördern von explosiven Gasen gemäß der Atex-Richtlinie entwickelt. Sie erfüllt die strengen Anforderungen an den Explosionsschutz – ein Alleinstellungsmerkmal im Markt.

Intelligentes Antriebskonzept punktet in der Vakuumtechnik

Damit sind wir in der Gegenwart der Vakuumtechnik angekommen: Brandneu zur diesjährigen Hannover Messe wurde die Wälzkolbenpumpen-Baureihe Hilobe für Grob- und Feinvakuum­anwendungen vorgestellt. Die Pumpen bieten durch die individuelle Drehzahlregelung ein nominelles Saugvermögen von 520 bis 2100 m3/h und lassen sich somit exakt auf kundenspezifische Anforderungen abstimmen. Das innovative Antriebskonzept ermöglicht ca. 20 % kürzere Auspumpzeiten im Vergleich zu herkömmlichen Wälzkolbenpumpen, was die Kosten senkt und die Effizienz der Produktionsanlage steigert. Und noch an weiteren Stellschrauben haben die findigen Tüftler aus Asslar gedreht, um die Betriebskosten drastisch zu senken und gleichzeitig die Verfügbarkeit zu erhöhen. So kommen ausschließlich modernste Motoren zum Einsatz, deren Energieeffizienzklasse weit über die derzeit geforderten Grenz­werte hinaus geht und die aufgrund ihrer Bauweise keine dynamischen Dichtungen mehr benötigen. Dies ist deutlich wartungsärmer und reduziert nebenher auch noch den Bedarf an Sperrgas, was ebenfalls die Betriebskosten senkt. Eine kostenintensive Wasserkühlung entfällt dank des durchdachten Luftkühlungskonzepts, und die Installationskosten werden durch die flexible Einbaulage reduziert. Besonders hervorzuheben: Die intelligente Schnittstellentechnologie der Hilobe erlaubt eine optimale Anpassung und Überwachung der Prozesse (Stichwort Condition Monitoring). „Es reicht eben nicht, sich nur am Energiebedarf der Vakuumpumpe zu orientieren, vielmehr müssen auch die restlichen Parameter betrachtet werden, wie Kühlungsart, Wartungsintervalle oder Steuerung“, macht Kuchenbecker deutlich. „Dies ist uns bei der neuen Generation der Hilobe gelungen. Wir konnten die Wartungs- und Energiekosten im Vergleich zu herkömmlichen Wälzkolbenpumpen um mehr als 50 % senken.“

Lecksuche leicht gemacht - So kommen sie dem Energiefressern auf die Spur

Der ärgste Feind im Vakuumprozess ist das Leck! Undichtigkeiten kosten vor allem bei Gefriertrocknungsprozessen bares Geld und gefährden den gesamten Prozess. Daher müssen Leckraten schnellstens lokalisiert und behoben werden. Hier haben sich Helium-Lecksucher etabliert – dank hoher Nachweisempfindlichkeit, kurzer Prüfzeit und vor allem der leichten Bedienung.

Der Lecksucher ASM 340 ist quasi das Universalgerät aus der umfangreichen Familie der ASM Lecksucher, während der kleine Bruder ASM 310 für mobile Einsätze gedacht ist. Unterschiedliche Messmethoden erlauben eine effiziente Lecksuche je nach Aufbau. Beispielsweise wird ein Lecksucher an Gefriertrocknungssysteme angeschlossen und die Anlage von außen mit dem Prüfgas Helium besprüht. Sind tatsächlich Lecks vorhanden, können sowohl die Position als auch die Größe der Leckage erfasst und somit störende Einflüsse auf den Prozess vermieden werden.

Effiziente Vakuumtechnik für die Gasanalyse

Ein gutes Beispiel für die Innovationsstärke ist auch die neue Gerätegeneration zur Gasanalyse Omnistar und Thermostar. Die Analysesysteme verfügen über eine intelligente Software, sind kompakt und einfach zu bedienen. Die Komplettlösung eignet sich insbesondere für die Gas­analyse bei chemischen Prozessen, in der Metallurgie, bei der Fermentation, Katalyse, Gefriertrocknung und Umweltanalyse sowie vielen anderen Anwendungen zur Qualitätskontrolle. Die nun deutlich kleineren Systeme bestehen aus einem Gas- Einlasssystem, dem Massenspektrometer Prisma Pro, der trocken verdichtenden Membranvakuumpumpe MVP und der Turbopumpe Hipace. Der Gaseinlass ist mit einer bis 350 °C beheizbaren Kapillare ausgestattet, die beim Omnistar aus Edelstahl und beim Thermostar aus Quarzglas besteht. Dadurch wird die Kondensation von Dämpfen während der Prozessgasanalyse verhindert. Dank des zweistufigen Einlasssystems ist eine quasi entmischungsfreie Gaszuführung möglich. Besonderes Augenmerk der Entwickler lag auf der Software PV Massspec, mit der sich komplette Messabläufe darstellen lassen – ein Meilenstein in der Prozess­überwachung.

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Wirklich dicht verpackt?

Das Eindringen von Feuchtigkeit, Sauerstoff oder mikrobiologischen Stoffen kann die Arzneimittelqualität während der Produktlebensdauer erheblich beeinträchtigen. Um Auswirkungen auf die Stabilität besonders feuchtigkeitsempfindlicher Arzneimittel sowie dem Risiko des Eindringens von biologischen Stoffen in parenteralen Medikamenten vorzubeugen, sind Integritätstests mit hoher Empfindlichkeit erforderlich. Üblicherweise ist dies mit einem hohen Zeitaufwand, Komplexität oder Beschränkungen bei Empfindlichkeit und Messbereich verbunden. Die Pharma- und Food-Industrie wurde aber gerade in diesem Bereich der CCIT (Container Closure Integrity Testing) durch das AMI 1000 revolutioniert. Für das patentierte O.E.S. (Optische Emissionsspektroskopie)-Verfahren ist kein besonderes Prüfgas erforderlich. Stattdessen wird das im Hohlraum der Primärverpackung vorhandene Gasgemisch genutzt. Der Multigassensor spürt die verschiedenen Gase wie Argon und Stickstoff oder auch Feuchtigkeit etc. auf. Die Geräte sind zerstörungsfrei, deterministisch (also unabhängig vom Bediener) und sehr einfach zu bedienen. Daher werden sie häufig als produktionsbegleitende Prozesskontrolle für die Dichtheitsprüfung von Blisterpackungen, aber auch Kunststoffflaschen eingesetzt. Der Vorteil ist, dass damit eine Automatisierung des Prüfzyklus erreicht werden kann. Zudem sind Trendanalysen möglich, um Produktionsprobleme zu einem sehr frühen Zeitpunkt zu erkennen.

Von Wetzlar in die Umlaufbahn: Meilensteine der Vakuum-Spezialisten
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Energieeffizienz und Digitalisierung im Fokus der Vakuumtechnik

Soweit nur einige Beispiele, woran die Vakuumtechnik-Spezialisten bei Pfeiffer Vacuum im Augenblick arbeiten. „Wir sind ständig am Prüfen von neuen Möglichkeiten, wie ein Prozess besser gestaltet werden kann“, erklärt Bremer und nennt exemplarisch die Themen Energieeffizienz und Digitalisierung. „Dadurch, dass hier mehr frequenzgesteuerte Pumpen eingesetzt werden, eröffnen sich jedoch auch Vorteile für den Prozess an sich, da die Pumpen flexibler einsetzbar sind.“

Das Thema Digitalisierung nimmt mehr Raum ein. „Wir richten unseren Blick auf die Anwendungen unserer Kunden. Denn der Kunde steht im Mittelpunkt. Es werden immer mehr Daten für ein noch besseres Verständnis der Prozesse erforderlich. Dem müssen wir Rechnung tragen, sowohl bei der integrierten Hardware als auch der Software. Entsprechend überprüfen wir unsere internen Prozesse“, erklärt Bremer. Dabei geht es u.a. darum, welche neuen Erkenntnisse sich aus den Daten generieren lassen, sodass der Anwender schneller auf Fehler reagieren und seinen Prozess optimieren kann. Bei Pfeiffer Vacuum ist man also auch für Industrie 4.0 und die Zukunft bestens gerüstet – eine Zukunft in der weiterhin gilt: Ohne das Nichts läuft nichts!

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Über den Autor

 Sabine Mühlenkamp

Sabine Mühlenkamp

freie Journalistin, Pressebüro Mühlenkamp