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Sterile Tankbelüftungsfilter Sicherer Druckausgleich im Hygiene- und Lebensmittelprozess

| Autor / Redakteur: Peter Krause* / M.A. Manja Wühr

Um die Integrität von Lagertanks zu gewährleisten, braucht es einen Druckausgleich beim Befüllen oder Entleeren. Für die sterile Be- und Entlüftung leisten hydrophobe, hochporöse PTFE-Mem­branfilterkerzen einen sicheren Druckausgleich und schützen dabei die Produkte im Tank vor Verunreinigungen und Bakterien.

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Sterile Tankbelüftungsfilter lassen Luft ein- und ausströmen – Verunreinigungen, Keime und Bakterien aber nicht.
Sterile Tankbelüftungsfilter lassen Luft ein- und ausströmen – Verunreinigungen, Keime und Bakterien aber nicht.
(Bild: Martin Wolf Wagner)

Im Bereich der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, aber auch bei der Produktion von Pharma- und Kosmetikprodukten, müssen über den gesamten Prozess besonders strenge Hygieneregeln und -vorschriften eingehalten werden. Das betrifft genauso die Lagerung von flüssigen Rohstoffen und Zwischenprodukten, beispielsweise Fruchtsaftkonzentrate, flüssige Schokolade oder Soßen, die in verschlossenen Tanks zur Weiterverarbeitung zwischengelagert werden müssen. Moderne Lagertanks bestehen aus Kunststoff oder Edelstahl in unterschiedlichen Wanddicken. Diese Parameter sowie Höhe und Durchmesser der Behälter, bestimmen die Unterdruckfestigkeit eines Tanks gegen elastisches oder plastisches Einbeulen und ebenso die Überdruckfestigkeit. Für den Druckausgleich beim Befüllen oder Entleeren ist am Tank ein Belüftungsstutzen angebracht. Denn gäbe es keinen Ausgleich, so würde sich der Behälter verformen oder könnte bersten. In sensiblen Bereichen, wie Lebensmittel, Getränke, Pharmazie, Kosmetik oder Reinstwasser, muss die Be- und Entlüftung keimfrei erfolgen, damit keine Verunreinigungen oder Bakterien in den Lagertank gelangen können. Um das zu gewährleisten, werden sterile Tankbelüftungsfilter eingesetzt.

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Sterile Tankbelüftung

Wird ein Lagertank gefüllt, fördert die Zulaufpumpe ein gewisses Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit in den Behälter. Ohne eine Entlüftung würde sich das darin enthaltene Gas oder Gas-Luftgemisch, das wir der Einfachheit halber als Luft bezeichnen, komprimieren. Der Druck im Tank könnte sich im Extremfall bis zum irreversiblen Verformen oder gar Bersten des Tanks erhöhen. Wissenschaftlich wird die Druckerhöhung mithilfe der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase (p*V = m*R*T) beschrieben, die als „Allgemeine Gasgleichung der Thermodynamik“ bezeichnet wird. Wie sich aus der Gasgleichung ableiten lässt, spielt es keine Rolle, ob sich nur Luft im Behälter befindet, oder ob das Produkt im Lagertank wegen möglicher Oxidationsreaktionen mit Luftsauerstoff zusätzlich mit einem Schutzgas überlagert ist.

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Wie beim Befüllen, käme es auch beim Abpumpen des Produkts aus dem Lagertank zu einer Druckveränderung, gäbe es keine Tankbelüftung. Denn beim Entleeren wird Flüssigkeit pro Zeiteinheit aus dem Behälter entnommen. Die im Tank enthaltene Luft würde ohne ein Nachströmen von Luft nach der „Allgemeinen Gasgleichung“ einen Unterdruck erzeugen. Im schlimmsten Fall würde sich der Behälter dabei zusammenziehen und irreversibel verformen.

Weil sich in einem Lagertank das Luftpolster aus physikalischen Gründen immer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bildet, sitzt die Belüftung oben am Behälter oder zumindest oberhalb des maximal möglichen Füllstandes. Die sterile Tankbelüftung besitzt Anschlüsse für den Belüftungsstutzen am Tank und zur Aufnahme des Filterelements. Das Filterelement wird mit einem speziellen Kerzenfiltergehäuse, welches wie eine Schutzglocke wirkt, oder einem Dom vor Verschmutzung von oben geschützt.

Der sterile Tankbelüftungsfilter gewährleistet, dass Luft ein- und ausströmen kann, ohne dass sich durch den Druckwiderstand des Filters ein Unterdruck oder ein Überdruck im Behälter aufbaut. Gleichzeitig wird der unerwünschte Austausch von Verunreinigungen, Keimen und Bakterien verhindert.

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Auf einen Blick
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1. Beim Befüllen oder Entleeren von Lagertanks muss durch eine Be- und Entlüftung ein Druckausgleich stattfinden.

2. In sensiblen Bereichen, wie der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, muss die Be- und Entlüftung keimfrei erfolgen.

3. Sterile Tankbelüftungsfilter gewährleisten, dass Luft ein- und ausströmen kann, ohne dass sich durch den Druckwiderstand des Filters ein Unterdruck oder ein Überdruck im Behälter aufbaut, und verhindern gleichzeitig den unerwünschten Austausch von Verunreinigungen, Keimen und Bakterien.

4. Die sterile Tankbelüftung besitzt Anschlüsse für den Belüftungsstutzen am Tank und zur Aufnahme des Filterelements.

5. Aufgrund von Temperaturunterschieden kommt es Bildung von Kondensat an der Außenseite und/oder der Innenseite der Behälterwand und des Tankbelüftungsfilters, was dessen Durchströmbarkeit mit Luft stark beeinträchtigen kann.

6. Wasserabweisende, hydrophobe Filtermaterialien verhindern, dass Kondensate die Durchströmung des sterilen Tankbelüftungsfilters beeinträchtigen können.

7. Als hydrophobe Filtermaterialien für sterile Tankbelüftungsfilter eignen sich Membranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besonders gut, weil Kondensattröpfchen an der Oberfläche der Membranen liegen bleiben und nicht in die Poren der PTFE-Membrane eindringen.

8. PTFE-Membranen mit ≤0,2 µm Filterfeinheit halten Bakterien und Keime sicher zurück.

Wasserabweisendes Material

Nicht selten werden gerade bei der Herstellung von Lebensmitteln und Getränken flüssige Produkte im Prozess gekühlt und dann noch kalt in die Lagertanks abgefüllt. Im Sommer sind Behälter und Umgebungsluft warm. Aufgrund des Temperaturunterschiedes kommt es zu einer Kondensation an der Außenseite der Behälterwand. Wassertropfen bilden sich an der Oberfläche des Behälters und auch an der Außenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters. Physikalisch Gleiches geschieht, wenn warme oder heiße Flüssigkeit in den Lagertank gepumpt wird. Hier bildet sich, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und der Umgebungsluft sowie dem Tank, Kondensationswasser im Innern des Behälters und auf der Innenseite des sterilen Tankbelüftungsfilters. Die auftretende Kondensationsflüssigkeit kann in beiden skizzierten Fällen die Durchströmbarkeit des sterilen Tankbelüftungsfilters mit Luft stark beeinträchtigen. Dringt das Kondensat zudem in die Poren des Filterelements ein, dann kann keine Luft mehr durch den Filter strömen, denn seine Poren sind mit dem eingedrungenen Wasser verblockt. Wäre das der Fall, könnte über den sterilen Tankbelüftungsfilter kein Druckausgleich mehr stattfinden. Die Folgen könnten, wie eingangs dargestellt, dramatisch ausfallen.

Die Lösung sind wasserabweisende Filtermaterialien. Denn ein hydrophobes Filtermaterial verhindert, dass Kondensate die Durchströmung des sterilen Tankbelüftungsfilters beeinträchtigen können. Als hydrophobe Filtermaterialien eignen sich Membranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besonders gut. Bekannt sind Garne aus PTFE-Fasern wegen ihrer wasserabweisenden aber dampfdurchlässigen Materialeigenschaften beispielsweise als Gewebe für Outdoor- und Skijacken sowie für Zelte. Diese Materialeigenschaft wird beim sterilen Tankbelüftungsfilter ausgenutzt. Die Kondensattröpfchen bleiben an der Oberfläche der Membranen liegen und dringen nicht in die Poren der PTFE-Membrane ein. Vielmehr perlen sie ab und tropfen zurück in den Behälter oder werden über einen Kondensatablassschlauch außen am Lagerbehälter abgeführt. Eine tropfende, sterile Tankbelüftung ist deshalb ein gutes Zeichen.

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Gewusst wie
So werden Filtergehäuse und -einsätze richtig ausgelegt

Die Auslegung steriler Tankbelüftungsfilter basierend auf PTFE-Membranfilterkerzen mit 0,2 µm Filterfeinheit und marktgängiger Gasdurchströmungsleistung richtet sich nach dem maximal zulässigen Differenzdruck für den Lagertank. Bitte Herstellerangaben beachten! Diese liegen meist bei zehn oder 25 mbar. Bezogen auf etwa 1 m2 PTFE-Membranfiltermaterial 0,2 µm kann mit einer Gasdurchströmung von etwa 10 Nm3/h bei 10 mbar beziehungsweise 25 Nm3/h bei 25 mbar gerechnet werden.

WTBE-Gehäuse von Wolftechnik aus Polypropylen (PP) oder Edelstahl dienen in Verbindung mit hydrophoben WFPTFE-Membranfilterkerzen zur staubfreien und sterilen Be- und Entlüftung von Lagertanks. Die zweiteilige Konstruktion besteht aus einer abschraubbaren Haube und dem Aufnahmeteil mit Tankstutzenanschluss als GF-Verschraubung DN40. Die Gehäuse sind in drei Größen zur Aufnahme einer WFPTFE-­Membranfilterkerze mit Adapterkonfiguration Code 0 in der Länge von 5",10" oder 20" verfügbar und eignen sich damit für Durchsatzleistungen von fünf bis 50 Nm3/h bei zehn bis 25 mbar Differenzdruck.

PTFE-Membranen mit ≤0,2 µm Filterfeinheit halten Bakterien und Keime sicher zurück. WFPTFE- Membranfilterkerzen mit hydrophober PTFE-Membrane sind in den Filterfeinheiten von 0,05 bis 1,0 μm lieferbar. Das Membranmaterial besitzt eine hochporöse Struktur und eine homogene Porenverteilung.

Alle Komponenten der Stützkonstruktion, Adapter und Endkappen sind aus Polypropylen und werden mit der PTFE-Membrane im Reinraum ohne Verwendung von Additiven oder oberflächenaktiven Substanzen thermisch miteinander verbunden. Die Filterfläche beträgt 0,9 m2/10" Element und liegt damit weit über dem Standard vergleichbarer Produkte. Dies sichert eine lange Lebensdauer bezogen auf Standzeit und Schmutzaufnahmekapazität. Und sorgt für niedrige Differenzdrücke auch bei großen Durchsatzleistungen.

* Der Autor ist Geschäftsführer bei Wolftechnik Filtersysteme, Weil der Stadt.

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