Mehrere Temperaturkontrolllösungen für Behälteranlagen und deren Anwendungen

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von yunrun am 31.7.2019 um 19:19 bearbeitet. Die Temperaturkontrolle in Behältern bedeutet im Grunde genommen die Steuerung des Prozesses, bei dem die Temperatur der Materialien auf den gewünschten Wert erhöht oder gesenkt wird. In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile verschiedener Methoden zur Temperaturkontrolle in Behältern verglichen, um eine Orientierung bei der Umsetzung solcher Kontrollmechanismen zu bieten. Bei Behältern zur Aufbewahrung von Materialien gibt es in der Regel mehrere Möglichkeiten, die Temperatur des Materials zu regulieren: ① Das Heiz- oder Kühlmittel wird direkt mit dem Material in Berührung gebracht ； ②Wärmeübertragung über die Umhüllung des Behälters ； ③Verwenden Sie einen Wärmetauscher. Während des Temperaturregulierungsprozesses steuert der Temperaturregler anhand der von den Temperatursensoren übermittelten Signale die Dauer und Intensität des Zufuhrs des Heiz- oder Kühlmittels, um die Temperatur der Stoffe im Behälter zu regulieren und so die Anforderungen des Produktionsprozesses zu erfüllen. In der Regel wird die Wahl des Temperaturkontrollsystems durch die Konstruktion der Behälteranlagen, die Prozessbedingungen sowie die Investitionskosten bestimmt. Changhui Instruments stellt einige gängige Lösungen zur Temperaturkontrolle von Behälteranlagen vor, die als Referenz dienen können. 1. Temperatursteuerungssystem zur Zufuhr von Heiz- oder Kühlmittel in die Umhüllung des Behälters. Das Prinzip dieses Systems beruht auf dem Wärmetausch über eine Trennwand. Dabei werden die kalten und warmen Flüssigkeiten durch eine feste Wand voneinander getrennt, wodurch die Wärmeübertragung über diese feste Wand stattfindet. In dieser Konstruktion gelangen Dampf und Kältemittel direkt in die Umhüllung. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen zwischen dem Inhalt des Behälters und diesen Flüssigkeiten findet eine Wärmeübertragung über die Wand des Behälters statt, wodurch die Temperatur des Inhalts erhöht oder gesenkt wird. Das System nutzt die Dauer und Intensität des Zuführens von Dampf oder Kältemittel, um die Temperatur der in Behältern gelagerten Materialien zu steuern. Temperatursteuerungssysteme, bei denen ein Heiz- oder Kühlmittel durch die Umhüllung des Behälters geleitet wird, werden häufig zur Temperaturregulierung in Lösungsmischbehältern und Materiallagerbehältern sowie in einigen Reaktoren eingesetzt. ①Temperaturkontrollsystem ohne Rückströmung des Kühlmittels Das Temperaturkontrollsystem ohne Rückströmung des Kühlmittels ist in Abbildung 1 dargestellt. Wenn keine Temperaturregulierung erforderlich ist, wird weder Dampf noch Kühlmittel in den Umhüllungsraum geleitet. Wenn die Substanz im Behälter aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten werden soll, strömt Dampf von der oberen Oberfläche des Umhüllungsrohrs ein. Wenn dieser Dampf auf die kältere Wand des Behälters trifft, gibt er Wärme ab und kondensiert zu Flüssigkeit. Unter dem Einfluss der Schwerkraft bleibt diese Flüssigkeit an der Wand haften. Gleichzeitig wird die Wärme über die Wand des Behälters an die Substanz im Inneren weitergeleitet, wodurch diese aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten wird. Nach Abschluss der Temperaturregelung wird die Zufuhr von Dampf gestoppt. Anschließend wird komprimierte Luft von oben in den Umhüllungsraum geleitet, um den dort verbleibenden Dampf sowie das Kondenswasser zu entfernen. Sobald alles gereinigt ist, wird die Zufuhr der komprimierten Luft wieder eingestellt. Wenn die Substanz im Behälter abgekühlt oder bei niedriger Temperatur gehalten werden muss, wird das Kältemittel von der unteren Oberfläche des Umhüllungsrohrs zugeführt. Wenn es mit den wärmeren Wänden des Behälters in Berührung kommt, nimmt das Kältemittel durch Wärmeübertragung Wärme auf. Durch kontinuierliches Zuführen und Entfernen des Kältemittels wird so die Temperatur der Substanz gesenkt. Wenn die Abkühlphase abgeschlossen ist, wird der Zufuhr des Kältemittels eingestellt. Anschließend wird komprimierte Luft von oben in den Umhüllungsbereich geleitet, um das noch vorhandene Kältemittel in die Entlüftungsleitung zu blasen. Nachdem alles gereinigt wurde, wird die Zufuhr der komprimierten Luft wieder gestoppt. In der Umhüllungsleitung muss ein Sicherheitsventil eingebaut werden, um zu verhindern, dass durch zu hohen Druck in der Umhüllung Unfälle entstehen. Im Behälter muss ein Temperatursensor eingebaut werden, um die aktuelle Temperatur der Substanz zu überwachen. An der Entlüftungsstelle des Kühlmittelwassers muss ein Entwässerungsventil installiert werden, um einen reibungslosen Abfluss des Kühlmittelwassers zu gewährleisten. Aus Gründen der Präzision bei der Temperaturregulierung ist es notwendig, einen Temperaturregler zu verwenden, um die Zeit und Intensität des Zuführens von Dampf oder Kältemittel in den Umhüllungsbereich zu steuern sowie entsprechend der aktuellen Temperatur der Materialien rechtzeitig Anpassungen vorzunehmen. Temperaturkontrollsysteme ohne Rückspülung des Kühlmittels werden in der Pharmaindustrie weit verbreitet zur Temperaturregulierung von Mischbehältern und Lagerbehältern mit wässrigen Lösungen sowie bei einigen Reaktoren eingesetzt. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png Abbildung 1: Temperatursteuerungssystem ohne Rückspülung des Kältemittels. ② Temperatursteuerungssystem mit Rückspülung des Kältemittels. Wenn aus Gründen der Kosteneinsparung oder zur Verringerung von Schadstoffemissionen das Kältemittel so weit wie möglich wiederverwendet werden soll, wird das im Umwälzungskreislauf verbleibende Kältemittel nicht direkt abgeleitet, sondern über Rückspülrohre vollständig zurückgewonnen. Das Temperaturkontrollsystem für die Rückführung des Kältemittels ist in Abbildung 2 dargestellt. In diesem System wurden an den geeigneten Stellen Leitungen zur Rückführung des Kältemittels eingefügt. Die Prozesssteuerung zur Erwärmung und Aufrechterhaltung der Temperatur des Materials erfolgt auf dieselbe Weise wie das Temperatursystem, bei dem kein Kältemittel zurückgeleitet wird. Wenn die Temperatursteuerung abgeschlossen ist, wird der Zufuhr des Kältemittels Einhalt geboten. Anstelle dessen wird komprimierte Luft von oben in den Umhüllungsraum geleitet, um das darin verbleibende Kältemittel in die Rückflussleitung zu blasen und so zur Wiederverwendung zu bringen. In der Pharmaproduktion kann dieses Konzept angewandt werden, wenn als Kühlmittel in Behälteranlagen kein Wasser, sondern Lösungen wie Ethylenoxid verwendet wird. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png Abbildung 2: Temperatursteuerungssystem für die Rückführung des Kältemittels. 2. Temperatursteuerungssystem, bei dem das Heiz- oder Kühlmittel direkt in den Behälter geleitet wird. Das Prinzip dieses Temperatursteuerungssystems beruht auf einem gemischten Wärmetauschprozess – dabei erfolgt der Wärmetausch zwischen den heißen und kalten Flüssigkeiten direkt im Behälter. In diesem Design werden Dampf und Kältemittel in den Behälter eingeleitet, wo sie direkt mit der Masse vermischt werden, um Wärme zu übertragen und so die Temperatur der Masse zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten. Im Vergleich zur Kühlung per Ummantelungstemperatursteuerung führt dieses Design zu einer erheblichen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten sowie der Wärmeaustauschoberfläche. Es weist somit Vorteile wie eine hohe Wärmeübertragungsrate sowie eine einfache Konstruktion auf. Das System steuert die Dauer und Intensität des Zuführens von Dampf oder Kältemittel, um die Temperatur der Materialien im Behälter zu regulieren. Doch da das Heiz- oder Kühlmittel dieses Systems in direkten Kontakt mit dem Material kommt, muss eine Risikobewertung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass es keine negativen Auswirkungen auf das Material hat. Das Temperaturkontrollsystem, bei dem das Heiz- oder Kühlmittel direkt in den Tank geleitet wird, ist in Abbildung 3 dargestellt. Wenn keine Temperaturregulierung des Materials erforderlich ist, wird weder Dampf noch Kühlmittel in den Tank geleitet. Wenn die Substanz im Behälter aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten werden muss, strömt Dampf von der Dampfoberfläche herein. Wenn dieser Dampf mit der kühleren Substanz in Berührung kommt, gibt er Wärme ab und kondensiert zu Flüssigkeit – dadurch wird die Substanz aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten. Gleichzeitig bleibt das Kondenswasser im Behälter und mischt sich mit der Substanz. Wenn die Erwärmung abgeschlossen ist, wird der Zufuhr von Dampf gestoppt. Wenn die Substanz im Behälter abgekühlt oder bei niedriger Temperatur gehalten werden muss, wird das Kältemittel von der Kältemittelfläche zugeführt. Wenn es mit der wärmeren Substanz in Berührung kommt, nimmt das Kältemittel Wärme auf, wodurch die Substanz abgekühlt oder bei niedriger Temperatur gehalten wird. Gleichzeitig bleibt das Kältemittel im Behälter und mischt sich mit der Substanz. Wenn die Abkühlung abgeschlossen ist, wird der Zufuhr des Kältemittels gestoppt. Da sowohl das Kondenswasser des Dampfes als auch der Kältemittel nach ihrer Zufuhr im Behälter verbleiben, muss bei der Temperaturregulierung auf diese Weise berücksichtigt werden, in welcher Menge Dampf und Kältemittel zugeführt werden müssen, um das gewünschte Temperaturkontrollergebnis zu erzielen. Das System kann zur Temperaturkontrolle von Materialien verwendet werden, bei denen keine hohe Präzision bei der Steuerung erforderlich ist und die nicht empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren, sowie zur Temperaturkontrolle in Behältern zur Inaktivierung von Abfällen. Zum Beispiel kann dieses Temperaturkontrollsystem in den Inaktivierungsbehältern für bakteriell kontaminierte Abfälle in den Produktionsstätten für rekombinante Proteindrugs verwendet werden. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png Abbildung 3: Temperatursteuerungssystem, bei dem das Heiz- oder Kühlmittel direkt in den Behälter geleitet wird. 3. Temperatursteuerungssystem, bei dem die Temperatur indirekt über einen Temperaturkontrollkreis gesteuert wird. Das Prinzip dieses Temperatursteuerungssystems beruht auf der Wärmeübertragung durch eine Trennwand. Für dieses System ist ein Temperaturkontrollkreis erforderlich, der aus einer Umhüllung, Rohrleitungen, Pumpen, Wärmetauschern, Temperaturreglern sowie Temperatursensoren besteht. Der Temperaturregelkreis ist mit einem Wärmeträger gefüllt, der unter Druck der Pumpe ständig zirkuliert. Beim Durchfließen durch die Umhüllung findet ein Wärmetausch mit der Substanz im Behälter statt, wodurch die Temperatur der Substanz erhöht oder gehalten werden kann. Der Wärmeträger kann Wasser sein, aber auch Wärmeleitöl usw. Das System regelt die Temperatur des Wärmeträgers mithilfe von Wärmeaustauschern und steuert die Temperatur der Stoffe im Behälter durch Wandwärmeaustausch im Umhüllungsrahmen. Das System benötigt Ventile zur Ersetzung und Auffüllung des Wärmeträgers sowie ein Ausdehnungsgefäß oder eine Ausdehnungskammer, um den Druck des Wärmeträgers im Kreislauf stabil zu halten. Das Temperaturkontrollsystem mit indirekter Temperaturregulierung über einen Temperatursteuerkreis ist in Abbildung 4 dargestellt. Wenn keine Temperaturregulierung für die Substanz erforderlich ist, kann der Temperatursteuerkreis entweder nicht betrieben werden oder in einem Zustand ohne Temperaturregulierung arbeiten. Wenn die Substanz im Behälter aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten werden muss, wird der Wärmeträger im Temperaturregelsystem erhitzt. Anschließend überträgt dieser Wärmeträger die Wärme über die Umhüllung an die Substanz im Behälter, wodurch diese aufgewärmt oder bei hoher Temperatur gehalten wird. Wenn die Substanz im Behälter abgekühlt werden muss oder bei niedriger Temperatur gehalten werden soll, wird der Wärmeträger im Temperaturregelsystem gekühlt. Anschließend fließt die kühle Flüssigkeit durch die Umhüllung und entzieht so der Substanz im Behälter Wärme, wodurch diese abgekühlt oder bei niedriger Temperatur gehalten wird. Wenn die Temperaturregelung abgeschlossen ist, wird der Betrieb der Pumpe im Regelkreis oder die Temperaturregelung des Wärmeträgers gestoppt, wodurch die Temperaturregelung des Materials beendet wird. Bei Bedarf kann auch eine Anschlussstelle für Druckluft im Kreislauf eingebaut werden, um den gesamten Kreislauf oder den Umhüllungsbereich zu entlüften. Die Temperatur der Substanz im Behälter wird durch den Wärmeträger im Umhüllungsrohr gesteuert. Der Wärmeträger wiederum wird durch einen Wärmetauscher im Temperaturregelsystem kontrolliert. Der Prozess erfordert zwei Wärmeaustausche, wodurch die Effizienz des Wärmeaustauschs nicht sehr hoch ist. Dennoch ermöglicht dieses System eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturregelung. Da der Temperaturkontrollkreis nicht direkt mit der Materialien in Berührung kommt, müssen bei der Auswahl der Komponenten keine Anforderungen an ein hygienisches Design erfüllt werden, wodurch die Baukosten gering sind. Ein Temperaturkontrollsystem, bei dem die Temperatur über einen Temperaturregelschleifen indirekt gesteuert wird, wird in der Regel in pharmazeutischen Produktionsprozessen eingesetzt, bei denen eine hohe Genauigkeit bei der Temperaturkontrolle erforderlich ist und eine langanhaltende Temperaturstabilität notwendig ist. Zudem sind die zu verarbeitenden Stoffe nicht für starke Umrührungen geeignet. Beispiele dafür sind die Pasteurisierungs- oder S/D-Inaktivierungsvessel bei der Herstellung von Blutprodukten – in solchen Fällen kann dieses Temperaturkontrollsystem verwendet werden. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png Abbildung 4: Temperaturkontrollsystem mit indirekter Temperaturregulierung durch einen Temperatursteuerkreis. 4. Temperaturkontrollsystem mit direkter Temperaturregulierung im Inneren des Behälters durch einen Temperatursteuerkreis. Das Prinzip des Temperaturkontrollsystems mit direkter Temperaturregulierung im Inneren des Behälters beruht auf der Wärmeübertragung über eine Trennwand. Dieses Temperaturkontrollsystem besteht aus einem Temperatursteuerkreis sowie einem Kreislaufsystem, das aus Behältern und anderen Geräten besteht. Der Temperatursteuerkreis setzt sich wiederum aus Rohrleitungen, Pumpen, Wärmetauschern und Messgeräten zusammen. Die Materialien werden in Behältern aufbewahrt und durch Pumpen im Temperaturregelkreis kontinuierlich zirkuliert. Beim Durchfluss durch den Wärmetauscher werden sie erhitzt oder gekühlt, bevor sie wieder in die Behälter zurückfließen, um sich mit anderen Materialien zu vermischen. Die Temperaturmessgeräte in den Behältern geben Anhaltspunkte dafür, wann und in welcher Intensität Dampf oder Kältemittel in den Wärmetauscher eingespeist werden soll – so wird die Temperatur der Materialien gesteuert. Das Temperaturkontrollsystem zur direkten Temperaturregulierung im Behälter über einen Temperatursteuerkreis ist in Abbildung 5 dargestellt. Wenn keine Temperaturregulierung des Materials erforderlich ist, kann der Temperatursteuerkreis entweder nicht arbeiten oder in einem Zustand ohne Temperaturregulierung betrieben werden. Wenn eine Temperaturkontrolle der Substanz im Behälter erforderlich ist, wird die Pumpe im Kreislauf eingeschaltet, sodass die Substanz in den Behältern sowie im Temperaturregelungskreislauf zirkuliert. Dabei wird die Substanz beim Durchfluss durch den Wärmetauscher erhitzt oder gekühlt. Anschließend kehrt sie in den Speicherbehälter zurück, wo sie sich mit anderen Substanzen mischt und erneut in den Kreislauf gelangt. Durch diese kontinuierliche Zirkulation wird die Temperatur der Substanz geregelt oder auf einem geeigneten Niveau gehalten. In diesem Konzept wird die Temperatur der Substanz im Behälter direkt über einen Wärmetauscher erhitzt oder gekühlt. Dabei ist nur ein einziger Wärmetauschvorgang notwendig, wodurch eine hohe Effizienz beim Wärmetausch erreicht wird. Zudem ermöglicht dieses System eine hohe Präzision bei der Temperaturregulierung. In diesem Design muss die Substanz in einem Temperaturkontrollkreis zirkulieren. Daher müssen alle Teile des Systems, die mit der Substanz in Berührung kommen, den entsprechenden GMP-Anforderungen entsprechen, um keinerlei nachteilige Auswirkungen auf die Qualität des Arzneimittels zu haben. Dies führt wiederum zu höheren Bau- und Wartungskosten. Ein Temperaturkontrollsystem, bei dem die Temperatur direkt im Behälter über einen Temperaturregelkreis gesteuert wird, eignet sich für Systeme, in denen Stoffe zentral gelagert werden müssen und gleichzeitig an mehrere Verbrauchsstellen versorgt werden sollen. Dabei sind hohe Temperaturanforderungen gegeben, und die Stoffe müssen außerdem starken Bewegungen standhalten – beispielsweise bei Systemen zur Verteilung von Wasser für die Pharmaindustrie oder bei der Herstellung von Blutprodukten, wo kühles Ethanol verwendet wird. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png Abbildung 5: Temperaturkontrollsystem mit direkter Temperaturregulierung im Behälter mittels Temperatursteuerungskreis – Anwendungsanalyse. Verschiedene Herstellungsverfahren haben unterschiedliche Anforderungen an die Temperaturregulierung der Materialien. Der Entwerfer muss daher je nach Einsatzbedingungen ein geeignetes Design auswählen. Die oben genannten Designlösungen sind die grundlegenden Varianten. In der Praxis kann man nicht nur eine bestimmte Designlösung einzeln verwenden, sondern auch eine Lösung vereinfachen oder mehrere Designlösungen miteinander kombinieren. Im Folgenden werden einige typische Anwendungsbeispiele vorgestellt: ① Lösungsspeichertanks – Bei herkömmlichen Lösungsspeichertanks reicht in der Regel nur eine Kühlfunktion aus; die Temperatur muss lediglich unter dem festgelegten Wert liegen. In diesem Fall kann das Temperaturregelsystem vereinfacht werden, indem das Heiz- oder Kühlmittel direkt in den Umhüllungsraum geleitet wird. Es genügt dann, nur die Kühlfunktion beizubehalten. Detailliertere Informationen finden Sie in Abbildung 6. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png Abbildung 6: Konzept zur Temperaturregelung des Behälters für Lösungen, bei denen nur eine Kühlfunktion erforderlich ist. ② Behälter zur Inaktivierung biologischer Abfälle: Der Behälter zur Inaktivierung biologischer Abfälle kann so konstruiert werden, dass sowohl Heiz- als auch Kühlmittel direkt in den Behälter eingespeist werden können. Dadurch wird eine Kombination aus direkter Erwärmung durch Dampf sowie indirekter Kühlung durch Kühlmittel im Umhüllungsring erreicht. Dadurch erhöht sich sowohl die Geschwindigkeit der Inaktivierung der Abfälle als auch die Menge an Abfällen, die pro Charge verarbeitet werden können. Dies ist in Abbildung 7 dargestellt. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png Abbildung 7: Temperatur in den Behältern zur Inaktivierung von biologischen Abfällen bei direkter Erwärmung und indirektem Kühlen. ③ Bei Geräten mit komplexeren Prozessen kann man, sofern das Kulturmedium nicht empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, ein System kombinieren, bei dem sowohl Wärme- als auch Kühlmittel direkt in den Umhüllungsraum eingespeist werden, sowie ein System, bei dem die Temperatur über Steuerkreise indirekt geregelt wird. Detailliertere Informationen finden Sie in Abbildung 8. In den Temperatursteuerkreis werden Anschlüsse für Dampf und Kältemittel eingefügt. Beim Sterilisieren des Nährbodens wird ein Heiz- oder Kühlmedium direkt in den Umhüllungsraum geleitet, wodurch die Effizienz des Wärmetauschs erhöht und die Bearbeitungszeit verkürzt wird. Während der Fermentationskultur wird ein Temperaturkontrollsystem verwendet, bei dem die Temperatur über einen Temperaturregelkreis indirekt über den Umhüllungsring gesteuert wird. Dadurch wird eine stabile und präzise Kulturtemperatur gewährleistet, sodass die Produktion streng nach den festgelegten Verfahren abläuft. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png Abbildung 8: Konzeption zur Temperaturkontrolle in Fermentern – schnelle Sterilisierung des Nährbodens sowie präzise Temperaturregulierung während des Fermentierungsprozesses. Neben den oben aufgeführten Betriebsbedingungen gibt es noch viele weitere Möglichkeiten zur Temperaturkontrolle in solchen Geräten. Bei der Konstruktion von Temperatursteuerungssystemen für Behälteranlagen muss unter Berücksichtigung der Produktionsprozesse gleichzeitig auf die Baukosten sowie auf gesetzliche Vorgaben Rücksicht genommen werden, um Temperatursteuerungssysteme zu entwickeln, die allen Anforderungen entsprechen. Die Konzepte und Betriebsweisen mehrerer Temperatursteuerungssysteme, die in diesem Text beschrieben werden, haben sich im praktischen Produktionsprozess als effektiv erwiesen. Zudem können diese Steuerlösungen als Referenz für die Entwicklung eigener Temperatursteuerungssysteme dienen. Autor: Yan Liujun Quelle: Technik-Bibliothek yunrun.com.cn/tech/