Als Lösungsanbieter von GMP-Partikel-Monitoringsystemen werden wir sehr häufig mit der Frage nach der besten Lösung für das benötigte Vakuum der Partikelzähler konfrontiert. Wir haben uns deshalb ausführlich mit der Frage beschäftigt und die drei verschiedenen Lösungen genauer angeschaut, um die Vor- und Nachteile aufzuzeigen.

Wozu wird das Vakuum benötigt und wie funktioniert das genau?

Eine permanente, zuverlässige Messung der Partikelkonzentration in der Luft ist für viele Reinraumbetreiber unerlässlich. Für die Messung werden spezielle Partikelzähler mit isokinetischer Sonde eingesetzt, die für die Probeentnahme einen definierten Luftstrom benötigen, in dem die Partikelanzahl dann gemessen wird. Dieser benötigte Luftstrom wird über eine Vakuumpumpe erzeugt.  

Welche Lösungsansätze für das Vakuum sind möglich

  • Variante 1:

    Partikelzähler mit integrierter Pumpe

  • Variante 2:

    Partikelzähler mit externer Einzelpumpe

  • Variante 3:

    Partikelzähler mit einem Zentralvakuum

 

Variante 1: Partikelzähler mit integrierter Pumpe

Der Einsatz dieser Geräte ist sehr einfach. Die Pumpen können direkt an eine Steckdose (230 V) angeschlossen werden. Zusätzlich wird noch eine Datendose (Netzwerkdose) für die Datenübertagung benötigt.

Partikelzähler mit integrierter Pumpe eignen sich daher hervorragend für die nachträgliche Integration in ein Bestandssystem. Lediglich der verwendete Datentyp muss dabei berücksichtigt werden. Die Datenübertragung erfolgt per Ethernet-Netzwerk oder über eine dedizierte Datendose zum Monitoring-Schaltschrank.

Sollte bei diesem Gerätetyp eine Pumpe ausfallen, ist ausschließlich diese Messstelle betroffen. Ein Ersatzgerät kann ohne großen Aufwand dafür in Betrieb genommen und Ausfallzeiten können minimiert werden.

Das Gerät wird exakt so eingestellt, dass der benötigte Flow von 28,3 l/min an der Partikelmessstelle zu jeder Zeit erreicht wird. Im Falle einer Abweichung löst das Gerät einen „Flow-Alarm“ aus.

Den Vorteilen dieser Lösung stehen, je nach Anwendung, teils gravierende Nachteile gegenüber. Durch die integrierte Pumpe sind diese Geräte um einiges größer, schwerer und produzieren direkt im Reinraum Abwärme, Abluft und Betriebslärm. Vor allem der Punkt Lärmbelastung muss im Gesamtraumkonzept mitberücksichtigt werden und ist nicht zu unterschätzen.

PRO CONTRA
  • Einfaches Handling
  • Einfache Erweiterbarkeit
  • Technische Störungen können unkompliziert behoben werden
  • Aktive Komponente (Pumpe) im Reinraum
  • Abluft/Abwärme im Reinraum
  • Lärmbelastung im Reinraum
  • Größerer Platzbedarf im Reinraum

Lesen sie dazu auch unseren Beitrag:
Partikelmonitoring für aseptische Herstellungsprozesse

Variante 2: Partikelzähler mit externer Einzelpumpe

Schaubild mehrerer Partikelzähler mit jeweils externer Vakuumpumpe

Bei dieser Variante wird die Vakuum-Pumpe vom Partikelsensor getrennt. Im Reinraum verbleiben nur die Probenahmestelle (Isokinetische Sonde) und der Sensor. Die Vakuumpumpe wird in einen geeigneten Bereich, z.B. Technikbereich, außerhalb des Reinraumes ausgelagert und betrieben. Der notwendige Flow wird auch hier exakt eingestellt, fortlaufend überwacht und löst im Falle einer Abweichung einen „Flow-Alarm“ aus.

Ein großer Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass eine gute Projektierung möglich ist. Die Vakuumpumpen können an einer geeigneten Position montiert werden, wo sie nicht stören (Thema Wärme- und Lärmbelastung) und gleichzeitig kann die Schlauchlänge geringgehalten werden. Jede Partikelmesstelle ist für sich eine Einheit, was bei der Inbetriebnahme und Qualifizierung von Vorteil ist. Im Falle eines Pumpen-Defektes ist nur eine Messstelle betroffen und ein Pumpentausch ist sehr schnell durchzuführen. Die Ausfallzeiten können somit sehr geringgehalten werden.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Erweiterbarkeit. Falls zu einem späteren Zeitpunkt weitere Partikelmessstellen dazukommen, ist dies mit den gleichen Komponenten jederzeit möglich. Die bereits installierten Messtellen können dabei lückenlos weiter betrieben werden.

Der Energiebedarf ist exakt auf die einzelne Messstelle reduziert. Die Vakuumpumpe wird durch das Monitoringsystem nur dann eingeschaltet, wenn diese Messstelle auch in Betrieb ist. Das reduziert die Betriebsstunden und damit die Betriebskosten der Pumpe enorm.

PRO CONTRA
  • Gute Projektierung (einfache Struktur)
  • Pumpen lassen sich pro Messstelle ein-/ausschalten
  • Einfaches Handling bei technischen Störungen
  • Einfache Erweiterbarkeit
  • Geringe Schlauchlängen realisierbar dank dezentraler Pumpen
  • Im Nachrüstfall muss auch der Schlauch verlegt werden
  • Keine 100 % Redundanz, im Falle eines Ausfalles muss die Pumpe getauscht werden, was zu einer kurzen Unterbrechung führt.

 

Variante 3: Partikelzähler mit einem Zentralvakuum

Schaubild mehrerer Partikelzähler mit redundanten Zentralvakuumpumpen.

Bei dieser Ausführungsvariante versorgt eine zentrale, im Technikbereich installierte, Vakuumpumpe alle angeschlossenen Partikelsonden mit dem notwendigen Vakuum.

Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass nur eine Pumpe benötigt wird. Allerdings ist auf Grund des hohen Risikos ein redundanter Aufbau von zwei Pumpen empfehlenswert. Wird auf eine Redundanz der Pumpen verzichtet, sind im Fehlerfall alle Partikelmessstellen betroffen und es kommt zu einem Totalausfall. Bei einem redundanten System stellt sich die Frage wie läuft die Steuerung ab. Benötigt es eine zusätzliche, intelligente Steuerungstechnik, die im Fehlerfall auf die Ersatzpumpe umstellt und die Abnutzung beider Pumpen gleichmäßig verteilt? Oder gibt es eine manuelle Umstellung?

Durch den Einsatz von hoch effektiven Pumpen kann der Energiebedarf minimiert werden. Allerdings muss die zentrale Pumpe jederzeit aktiv sein, auch wenn nur eine einzige Partikelmessstelle in Betrieb ist. Der Energiebedarf ist somit, in der Regel, höher als bei Variante 2. Zusätzlich wird für diese Pumpen oftmals ein Drehstromanschluss benötigt, was bei der Projektierung und Notstromversorgung mitberücksichtigt werden sollte.

Ein weiterer Punkt, der bei der zentralen Vakuumlösung beachtet werden sollte, ist die hohe Komplexität bei der Planung. Jede Partikelmessstelle muss an die zentrale Vakuumleitung angebunden werden. Auf Grund der Ausfallsicherheit sollte hier auf eine Rohrleitung anstelle eines Schlauches zurückgegriffen werden. Dazu ist zusätzliches Fachpersonal für die Verlegung notwendig.

PRO CONTRA
  • Hohe Ausfallsicherheit (bei redundanten Pumpen)
  • Hohe Komplexität bei Projektierung (Zentraler Anschluß der Vakuumleitung)
  • Ggf. Rohrleitung anstatt Schlauchleitung empfehlenswert (zusätzliches Fachpersonal notwendig)
  • Ggf. lange Schlauchlängen notwendig
  • Erweiterungen nur bedingt möglich

 

Fazit:

Partikelzähler mit eingebauter Pumpe sind für Anwendungsfälle gut geeignet, bei denen eine feste Montage ungewünscht bzw. nicht notwendig ist und gleichzeitig die große Bauform sowie die zusätzliche Wärme- und Lärmbelastung im Reinraum keine Probleme darstellen.

Zentralvakuumpumpensysteme können bei sehr großen Anlagen (>25 Partikelzähler) eine gute Alternative zu Einzelpumpen darstellen, sofern die Vakuumpumpen redundant aufgebaut werden, die Vakuum-Leitung sinnvoll realisierbar ist und die Komplexität in Projektierung und Betrieb im Vorfeld gut abgestimmt wurde.

Für die meisten Partikelmonitoringsysteme (mit ca. 2-20 Partikelzählern) stellt sich die Lösung mit einzeln zuschaltbaren, dezentralen Einzelpumpen als die Beste und alltagstauglichste Lösung dar. Flexible Verschlauchung und gute Erweiterbarkeit runden diese Lösung zusätzlich ab.  

Wie Sie sehen, bietet jede Lösungsvariante seine individuellen Vor- und Nachteile. Je nach Anforderungen des jeweiligen Projektes kann jede der Varianten die Geeignetste sein. Eine Risikobetrachtung zum Start eines Projektes kann bei der Auswahl unterstützen.