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Balanceakt im Sprühturm So funktioniert Explosionsschutz in der Sprühtrocknung richtig

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp / Sabine Mühlenkamp

Sprühtrockner sind komplexe Anlagen. Insbesondere die Absicherung gegen Staubexplosionen erfordert erhebliches Know-how. Der Molkereibetrieb Meggle vertraut beim Bau einer neuen Anlage auf die Expertise von IEP Technologies. Das seit 2015 zu Hoerbiger gehörende Unternehmen kam bereits beim Bau der ersten Anlage mit Ex-Unterdrückung am Meggle-Standort in Wasserburg am Inn zum Zug.

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„Sprühtürme gehören aus Explosionsschutzsicht zu den anspruchsvollsten Anlagen.“ Albert Speckmaier, Leiter Produktion und Lohnfertigung für funktionale Produkte, Meggle
„Sprühtürme gehören aus Explosionsschutzsicht zu den anspruchsvollsten Anlagen.“ Albert Speckmaier, Leiter Produktion und Lohnfertigung für funktionale Produkte, Meggle
(Bild: Siegfried Sperl)

Neben dem Wirkstoff enthalten Tabletten immer auch Hilfsstoffe, die keine pharmakologische Wirkung haben. Sehr häufig wird Lactose als Füll- und Bindestoff eingesetzt. Einer der führenden Hersteller von pharmazeutischer Lactose weltweit ist der Molkereibetrieb Meggle. Mit seinem Markenzeichen – dem blauen Kleeblatt – verbinden die meisten Konsumenten Kräuterbutter und andere Buttersorten. „Die Kräuterbutter ist sicher das bekannteste Produkt in der Öffentlichkeit, aber der Bereich pharmazeutische Hilfsstoffe gehört ebenfalls zu den Kernbereichen und spielt eine entscheidende Rolle im Gesamtunternehmen“, so Albert Speckmaier, Leiter der Produktion und Lohnfertigung für funktionale Produkte bei Meggle. Dabei haben sowohl die Butterprodukte als auch die Lactose ihren Ursprung in der Milch.

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Meggle machte sich vor fast 130 Jahren zunächst einen Namen mit Käse, verlagerte seinen Schwerpunkt aber immer weiter in Richtung Butter. Auch die pharmazeutische Lactose ist inzwischen ein Produkt mit 60-jähriger Tradition. Damals suchte man einen Weg, um das Nebenprodukt Molke zu verwerten. Insbesondere Pharmazeuten stellen nicht nur hohe Ansprüche an Form, Oberfläche und Partikelgröße, sondern verlangen auch weitere funktionelle Eigenschaften, wie besondere Härtegrade für die Tablettenproduktion, eine bestimmte Zerfallsrate oder eine verzögerte Freisetzung von Wirkstoffen. „Wir stellen etwa 25 verschiedene Hilfsstoffe auf Lactosebasis her“, erklärt Speckmaier. Letztlich decken diese Produkte alle Bereiche der festen Darreichungsformen ab – von Tabletten und Kapseln über Sachets und Pulverformulierungen. „Die Lactose ist aber auch ein wichtiges Transportmittel für den Wirkstoff in die Lunge, etwa beim Einsatz von Pulverinhalatoren“, ergänzt Speckmaier. Je tiefer der Wirkstoff in die Lunge transportiert werden muss, desto feiner sind die Partikel der Lactose. Die richtige Formulierung ist entscheidend und Meggle gilt hier als Spezialist.

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Lange währender Prozess

Von diesen Überlegungen hinsichtlich Härte und Zerfallseigenschaften ahnt der Verbraucher nichts, wenn er eine Tablette in Sekundenschnelle herunterschluckt. Und vermutlich ahnt er noch weniger, dass die Herstellung dieses Hilfsmittels ein ausgesprochen langwieriger Prozess ist. Bis zu drei Tage wandert die Molke, die am Anfang noch in flüssiger Form vorliegt, durch verschiedene Prozessstufen, bis das Lactosepulver fertig abgepackt werden kann.

Ein Teil der so produzierten Lactose wird auf Sprühtürmen weiterverarbeitet, zur Herstellung von direkttablettierfähiger Lactose. Viele dieser Schritte verbrauchen große Mengen an Energie. Die liefert ein eigenes modernes Kraftwerk mit Kraftwärme-Kopplung und einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Der dort erzeugte Dampf heizt zum Beispiel die Sprühtürme und die Verdampfer. Nicht nur aus energetischer, sondern auch aus wirtschaftlicher Sicht ist die Herstellung von Lactosepulver eine Herausforderung. Der Kostendruck im Gesundheitswesen ist in den vergangenen Jahren erheblich gewachsen. „Um ökonomisch erfolgreich zu sein, können diese Produkte nur in großem industriellem Maßstab gefertigt werden“, macht Speckmaier deutlich.

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Explosionsunterdrückung – wie funktioniert’s?

Jedes Explosionsunterdrückungssystem besteht aus drei Komponenten: Detektor; Kontroll- und Steuereinheit und Unterdrückungsbehälter (HRD-Löscher). Bei einer Zündung vergrößert sich der Feuerball vom Zündort aus, wobei sich die Druckwelle (die durch den Temperaturanstieg erzeugt wird) vor dem Feuerball ausbreitet. Explosionsdrucksensoren sind so konfiguriert, dass sie auf den typischen Druckanstieg innerhalb von Millisekunden reagieren. Die Steuer- und Kontrolleinheit der Explosionsunterdrückung empfängt das Auslösesignal des Drucksensors und gibt das Signal an den (die) Löscher weiter. Die Löscher werden aktiviert und das Löschmittel wird in den geschützten Behälter mit hoher Konzentration und Geschwindigkeit geschossen. Für die Verteilung des Löschmittels und die Eindämmung des wachsenden Feuerballs werden Spezialdüsen verwendet. Dadurch wird der Feuerball rasch abgekühlt, eine weitere Verbrennung abgeschwächt, sodass sich der Explosionsdruck reduziert. Fester Bestandteil der Auslegung der meisten Systeme zur Explosionsunterdrückung ist eine chemische oder mechanische Explosionsentkopplung mit dem Zweck, das Risiko einer Übertragung der Flammen/Explosion auf andere verbundene Anlagenteile zu reduzieren.

Weiterer Sprühturm in Betrieb

Sprühtrockner entsprechen dieser Vorgabe – die Anlagen arbeiten hocheffizient, setzen aber auch spezielles Know-how voraus. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es schnell und gleichzeitig sehr schonend für das Endprodukt ist. Zudem kann eine definierte Partikelgrößenverteilung im Mikrobereich erreicht werden, die entscheidend für die Qualität des Produktes ist. Bei der Produktion wird die durch mehrere Verfahrensstufen behandelte Molke über Sprühdüsen von oben als feiner Nebel in die sehr heiße Luft des Trockners eingedüst. Dadurch vergrößert sich die Gesamtoberfläche der Flüssigkeit enorm, sodass die Flüssigkeit konvektiv getrocknet wird. Im unteren Bereich des Turms sind die Tropfen getrocknet und das Lactosepulver wird von der Luft abgetrennt. „Wir haben inzwischen umfangreiche Erfahrungen mit dieser Technologie, bisher gibt es am Standort mehrere Sprühtürme“, führt Speckmaier aus. Vor zehn Jahren ging der erste Sprühturm mit Ex-Unterdrückung in Betrieb. Und im vergangenen Jahr wurde mit dem Bau eines weiteren Sprühturms begonnen, der rund ein Viertel mehr Kapazität besitzt und kurz vor der Inbetriebnahme steht. Die Anlage besteht größtenteils aus Edelstahl.

Bedingungen in der Sprühtrocknung begünstigen Explosionen

Nur grausilbriger Edelstahl? Nicht ganz, denn rund um den gesamten Turm sind in gleichmäßigem Abstand 24 signalrote Flaschen installiert. Sie sind die Lebensversicherung des Sprühturms. Denn neben verfahrenstechnischen Gesichtspunkten muss besonders auf den Explosionsschutz geachtet werden.

Auf den ersten Blick scheint es verblüffend, dass Lactosepulver eine Explosion auslösen kann. Aber in einem Sprühtrockner herrschen Bedingungen, die Explosionen begünstigen: „Es gibt ein organisches, sehr feines Pulver in einem großen Luftvolumen und hohe Temperaturen. Da fehlt nur noch die dritte Komponente der Explosionsvoraussetzungen – der sprichwörtliche Zündfunke –, damit es zu einer Explosion kommt“, so Speckmaier. Durch die hohen Temperaturen besteht immer die Gefahr, dass es durch Pulverablagerungen zu einer Selbstentzündung kommt.

Aber mit dieser Gefährdung weiß Speckmaier umzugehen. „Für die Errichtung des Turms hat unser Engineering-Team eng mit Fachunternehmen zusammengearbeitet. Sprühtürme gehören aus Explosionsschutzsicht mit zu den anspruchsvollsten Anlagen überhaupt“, sagt Speckmaier. „Das erfordert Know-how von Experten.“

Schon beim Bau des ersten Sprühturms war die Auswahl an Fachunternehmen für den Explosionsschutz nicht besonders groß. Fündig wurde man bei IEP Technologies, die damals noch unter dem Namen Kidde tätig waren. Das Unternehmen, das seit 2015 zu Hoerbiger gehört, ist bei etwa 80 Prozent aller derzeit gebauten Sprühtrockner mit seinen Explosionsschutzkonzepten an Bord. Hintergrund ist, dass es nur wenige Unternehmen gibt, die eine Atex-Zulassung für sehr große Behälter vorweisen können.

Rundherum geschützt

In der Gefährdungsbeurteilung wurden zunächst bestehende Risiken für explosionsgefährdete Bereiche anhand der in Frage kommenden Zündquellen bewertet und die technischen und organisatorischen Schutzmaßnahmen ergriffen. Durch die unmittelbare Nähe zu Wohngebieten kamen andere Explosionsschutzkonzepte, wie etwa die Druckentlastung mit Berstscheiben, nicht in Frage, da Freiflächen zur Entlastung rund um das Gelände rar sind.

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Meggle entschied sich für einen Rundumschutz des Turms mit einer Explosionsunterdrückung von IEP Technologies. Diese besteht aus den schon erwähnten typischen roten Löschmittelbehältern, die in verschiedenen Ebenen rund um den Sprühtrockner, aber auch an anderen Aggregaten installiert werden. Dabei sind die Drucksensoren so konfiguriert, dass sie auf den für eine Explosion typischen Druckanstieg reagieren. Droht eine Explosion, registrieren die Sensoren diesen Anstieg innerhalb von Millisekunden und reagieren blitzschnell, indem sie die Explosion löschen.

Das eingebrachte Natriumhydrogencarbonat („Backpulver“) hat eine Konzentration von 700 bis 1500 g/m3 und reduziert den Explosionsdruck, der ansonsten auf 8 bis 9 bar ansteigen kann, auf 200 mbar oder weniger. Die gesamte Anlage ist auf einen Druck von 400 mbar ausgelegt, sodass der Turm nicht beschädigt wird. Prinzipiell arbeiten diese Systeme autark, sie sind aber an ein Leitsystem angeschlossen, um im Fall einer Auslösung die Anlagen sofort herunterfahren zu können.

Explosionsschutz ist Teamarbeit

Selbst eine Milchproduktionsanlage muss nach der Gefahrstoffverordnung geprüft werden und wird im Vorfeld von Berufsgenossenschaften und Behörden genau durchleuchtet und abgenommen. „Die letzte Abnahme ist in der Regel aber kein Problem, da das Engineering-Team vorher sehr eng mit den Fachfirmen und den Behörden zusammenarbeitet“, weiß Speckmaier. Beim neuen Sprühturm hat man daher auch das bewährte Konzept des ersten Sprühturms übernommen.

„Einen anderen Anbieter in das Projekt zu holen, hätte aus unserer Sicht keinen Sinn gemacht – allein schon wegen der aufwändigeren Ersatzteillagerung. Da die Löschmittelbehälter auch in anderen Anlagenteilen verwendet werden, unter anderem in den Lebensmittelanlagen oder an Großtrocknern, haben wir immer Behälter auf Lager“, führt Speckmaier aus.

Allerdings gab es bei den Löschmittelbehältern im Laufe der vergangenen zehn Jahre einige Verbesserungen, die sich vor allem auf die Wartung und Instandhaltung auswirken. So lässt sich nun dank einer Inspektionsöffnung das Düsensystem einfach begutachten, indem man eine Inspektionskamera hineinschiebt. Früher war hierfür eine Demontage des schweren Löschmittelbehälters notwendig. Auch ein Austausch der Behälter ist dank des Bajonett-Verschlusses, der heute statt der bisherigen starren Verdrahtung zum Einsatz kommt, sehr viel einfacher geworden. Wurden früher drei Stunden für die Wartung veranschlagt, ist die jährliche Inspektion heute bei guter Zugänglichkeit in einer Viertelstunde erledigt.

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Explosionsschutz ist ein Balanceakt. Zwar steht die Sicherheit an erster Stelle, aber Fehlauslösungen sind ebenfalls unerwünscht. Dann müsste die Charge verworfen, die Produktion angehalten, der Sprühtrockner gereinigt und wieder in Gang gebracht werden. „Hier muss man mit erheblichen Ausfallkosten rechnen“, so Speckmaier. Auch bei einer Explosion, die im Keim erstickt wird, dauert es eine Weile, bis die Produktion wieder in Gang kommt. Zwar geht der Austausch der Löschmittelbehälter schnell über die Bühne, aber allein bis die Behörden und die Versicherung die Anlage wieder freigeben, dauert es wenigstens zwei Wochen.

Glücklicherweise kam es noch nicht zu einer solchen Situation. „Aber dies ist nicht zu vergleichen mit den Schäden, die bei einer Explosion ohne Schutz der Anlage auftreten könnten. Neben möglichen Gefährdungen von Mensch und Natur wären die Schäden an den Anlagen und durch den Produktionsausfall sehr hoch“, gibt Speckmaier zu bedenken.

Daher setzt Meggle auch bei künftigen Projekten auf Explosionsschutzkonzepte von IEP Technologies.

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