Pharmazeutische Glasprodukte wirtschaftlich formen und feuerpolieren

Flammeneigenschaften exakt steuern

Der Rohkörper lässt sich weitertransportieren und in weiteren Arbeitsschritten endgültig ausformen. Bild: Tomáš Belloň – stock.adobe.com

Der alte Werkstoff Glas aus Sand, Soda, Pottasche und Kalk ist in moderner Rezeptur auch heute noch die Grundlage für zahlreiche pharmazeutische Gefäße wie Ampullen, Injektionsfläschchen und Spritzen. Mit der großen Bandbreite an Produkten steigt auch die Zahl der Glasrezepturen, die wiederum individuelle Fertigungsprozesse notwendig machen. Als Ausgangsprodukt dienen dabei hochwertige Glasrohre. Je nach Material-zusammensetzung haben diese klar definierte Schmelztemperaturen. Durch präzise Oxyfuel-Gasbrenner werden die Rohre lokal auf definierte Temperaturen erhitzt. So lassen sich Objekte leicht formen, Oberflächen von Produkten gut feuerpolieren und sogar kleine Risse und Unebenheiten reparieren. Voraussetzung dafür ist eine individuell einstellbare Gasflamme, bei der Brenngas und Sauerstoff ideal dosiert sind. Hier helfen moderne Massendurchflussregler mit einem druck- und temperaturunabhängigen Messprinzip weiter. Damit sparen sie Energiekosten, verbessern die Prozessführung und minimieren den Abgasausstoß durch eine optimale Verbrennung.

Kompakte Massendurchflussregler (MFC) von Bürkert ermöglichen eine reaktionsschnelle Gasdosierung. Bild: Bürkert

Kompakte Massendurchflussregler (MFC) von Bürkert ermöglichen eine reaktionsschnelle Gasdosierung.
Bild: Bürkert

Glas als durchsichtiger, weitgehend inerter und leicht formbarer Werkstoff ist ideal für eine große Anzahl individuell geformter Produkte. Gerade für die Pharmazeutik werden die je nach Anforderungen durchsichtigen oder eingefärbten Hohlkörper in riesigen Stückzahlen gefertigt. Sie müssen dabei alle den in einschlägigen Vorschriften vorgegebenen Eigenschaften entsprechen, wie z.B. konstante Volumina und Wandstärken sowie präzise Sollbruchstellen. Dazu ist eine exakte Prozessführung unabdingbar. Je nach Produkt und Glasrezeptur sind für die Verarbeitungsschritte unterschiedliche Brennertemperaturen und damit verschiedene Gasmischungen und -mengen der Prozessgase erforderlich. Kompakte Massendurchflussregler (MFC) von Bürkert Fluid Control Systems ermöglichen hier eine reaktionsschnelle Gasdosierung, die eine wirtschaftliche Prozessführung auch bei Schwankungen der Gaszufuhrqualität und häufigen Produktwechseln ermöglichen.

Grundlage der Glasherstellung …

Am Prinzip der Glasherstellung hat sich seit dem Altertum nichts geändert, nur die Methoden wurden verfeinert. Die je nach Glasart vorgemischten Rohstoffe kommen zuerst in Schmelzöfen oder -wannen, werden dort bei definierten Temperaturen aufgeschmolzen und miteinander innig gemischt. Wie bei den vorbereitenden Prozessschritten ist auch bei der nun folgenden Weiterverarbeitung die Einhaltung einer definierten Viskosität bzw. Temperaturspanne essentiell für die Produktqualität.

… und Massenfertigung von Glashohlkörpern

Vielfältiger Werkstoff Glas für Flaschen, Ampullen, Spritzen etc. Bild: Robert Gerhardt – stock.adobe.com

Vielfältiger Werkstoff Glas für Flaschen, Ampullen, Spritzen etc.
Bild: Robert Gerhardt – stock.adobe.com

Ursprung der Massenfertigung von sogenannten Glashohlkörpern war der hohe Bedarf an Bierflaschen gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Er führte zur Entwicklung der ersten vollautomatischen Glasflaschenblasanlage. Auch hier verfeinerten sich im Laufe der Zeit die Methoden und passten sich den gestiegenen Produktanforderungen an. Für pharmazeutische Gläser werden aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen passende Glasrohre nicht geblasen, sondern aus der Schmelze gezogen und als Halbzeug für die weitere Produktion eingesetzt. Die unterschiedlichen Formen aus den abgelängten Rohrabschnitten ergeben sich dann durch abschnittsweises Erhitzen und weitere Bearbeitung. Dabei entsteht durch zusätzlichen Gasdruck bzw. weitere Ziehvorgänge die gewünschte Grundform der Flaschen, Ampullen, Röhren etc.

Die sogenannte Feuerpolitur, die beispielsweise für die „Veredelung“ von Weingläsern eingesetzt wird, erfordert eine exakt dosierte Gasmischung. Bild: Piotr Piatrouski – stock.adobe.com

Die sogenannte Feuerpolitur, die beispielsweise für die „Veredelung“ von Weingläsern eingesetzt wird, erfordert eine exakt dosierte Gasmischung.
Bild: Piotr Piatrouski – stock.adobe.com

Da das Glas im Prozess immer weiter abkühlt, ist der Rohkörper weitgehend formstabil und lässt sich weitertransportieren. Nun folgen weitere Arbeitsschritte, bei denen das Produkt endgültig ausgeformt wird. Darunter fallen Arbeiten wie Hälse ausziehen an Ampullen, Sicken und Einbuchtungen anbringen oder eine spezielle Oberflächenbehandlung, die sogenannte Feuerpolitur. Zu diesen Zwecken muss der Glaskörper wieder, oft nur stellenweise, definiert erhitzt werden um die Viskosität im optimalen Bereich einzustellen und damit das Glas formbar zu machen. Dabei kommen zahlreiche kleine Gasbrenner zum Einsatz, die exakt gesteuert oft nur Millimeter dicke Glaswandung punktuell erwärmen.

Flammentemperatur entscheidend

Da die Gaszusammensetzung die Flammtemperatur entscheidend beeinflusst, müssen die Brenner der Glasbearbeitungsanlagen mit exakt eingestellter Gasmischung arbeiten. Je nach Brenngas wie z.B. Wasserstoff, Erdgas oder Propan variieren die Eigenschaften der resultierenden Flamme. Nun ändern sich im Praxisalltag allerdings oftmals sowohl die Druckbedingungen wie auch die Temperatur der Gase. Eine klassische volumetrische Gasmengenmessung mittels Schwebekörpern kann das nicht berücksichtigen, denn sobald sich Druck oder Temperatur ändern, messen diese Volumendurchflussmesser nicht mehr genau. Für eine moderne, rückverfolgbare und dokumentationspflichtige Produktion ist das nicht akzeptabel. Als zuverlässige Alternative bietet sich hier der Einsatz von Massendurchflussmessern an.

Gemessen wird in einem speziell geformten Strömungskanal, dessen Wandung an einer Stelle einen Si-Chip mit einer freigeätzten Membran enthält. Bild: Bürkert Fluid Control Systems

Gemessen wird in einem speziell geformten Strömungskanal, dessen Wandung an einer Stelle einen Si-Chip mit einer freigeätzten Membran enthält.
Bild: Bürkert Fluid Control Systems

Das Messprinzip der eingesetzten Massendurchflussregler ist ausgeklügelt und basiert auf dem thermischen Verfahren. Aus dem Wärmetransport des eingesetzten Gases kann hierbei direkt auf den Massendurchfluss geschlossen werden. Dieses Gasgewicht ist unabhängig von Gasdruck und -temperatur. Der Wärmetransport ist dabei sowohl von der Masse der einzelnen Gasmoleküle als auch von der absoluten, durchgeströmten Gasmenge abhängig. Leichte Gase wie Wasserstoff nehmen schnell viel Hitze auf, schweres Propan dagegen weniger. Aus diesem Grund lassen sich die Sensoren auf mehrere Gasarten im Voraus justieren.

Bei den zumeist eingesetzten Massendurchflussreglern findet diese Messwerterfassung in einem Nebenkanal statt. Ein Laminar-Flow-Element im Hauptkanal erzeugt einen geringen Druckabfall, welcher einen definierten, kleinen Teil des Gesamtdurchflusses durch den Nebenkanal treibt. Gemessen wird in einem speziell geformten Strömungskanal, an dessen Wandung ein Si-Chip mit einer freigeätzten Membran sitzt. Auf dieser Membran ist ein Heizwiderstand symmetrisch zwischen zwei Temperatursensoren aufgebracht, die die Gas-Temperatur vor und nach der Erwärmung messen. Bei einer konstanten Spannung am Heizwiderstand ist die Differenzspannung der Temperatursensoren ein Maß für den Massendurchfluss des strömenden Gases.

Die Massendurchflussregler (MFC) DS8741 und DS8742 eigenen sich für den weiten Nenndurchflussbereich von 0,01 bis 160 lN/min bei einem Gasdruck von bis zu 10 bar und sehr schnellen Reaktionszeiten. Die Medientemperatur für neutrale, nicht kontaminierte Gase darf dabei im Bereich von -10 °C bis +70 °C (-10 °C bis +60 °C bei Sauerstoff) schwanken, die Messungenauigkeit liegt bei ±0,8 % v.M. (nach 1 min. Aufwärmzeit). Optional können bis zu vier verschiedene Gase kalibriert werden. Ein integrierter PI-Regler sorgt für exzellente Regeleigenschaften, die Ausregelzeit beträgt <300 ms. Je nach Modell und Ausführung bieten die Controller Schnittstellen für analoge Signale, CANopen, PROFINET, Ethernet/IP, Modbus-TCP und EtherCAT. Eine ATEX II Kat. 3G/D-Zulassung ist ebenfalls möglich. Die nur 84 x 111 x 28 mm (H x L x B) messenden Module bestehen im Grundblock aus Aluminium oder Stahl mit Polycarbonat- (IP20) oder Aludruckgussgehäuse. Die Leitungsanschlüsse sind in NPT-, G- Gewinde, Klemmringverschraubung oder Flansch ausgeführt, andere auf Anfrage. Die MFC lassen sich mit zahlreichen Magnetventilen kombinieren.

Rezeptursteuerung per Bus

Für die hohen Anforderungen der Glasindustrie bietet Bürkert mit seinen Massendurchflussreglern nicht nur eine kompakte und exakt arbeitende Gasmassenbestimmung, sondern erfüllt auch die Anforderungen einer modernen und flexiblen Produktion. In einer solchen Anlage kommen oft bis zu 60 Brenner zum Einsatz, was bedeutet, dass bis zu 120 Massendurchflussregler über das Gasgemisch wachen. Diese können zu einer kompakten und individuellen Systemlösung verbaut werden und kommunizieren untereinander je nach Kundenwunsch über verschiedene Feldbus- oder Industrial Ethernet-Standards. Dazu kommen oftmals noch Sicherheits-Absperrventile für jeden Gasstrang, die ebenfalls Teil des intelligenten Brennersteuerungsblocks sein können. Dank des modularen Aufbaus können diverse Bussysteme (PROFINET, PROFIBUS-DP, Modbus-TCP, Ethernet/IP oder EtherCAT) unterstützt werden, die Integration in bestehende Anlagensteuerungen wird dadurch erheblich erleichtert. Für schnelle, marktangepasste Produktwechsel können in der übergeordneten Steuerung die passenden Rezepturen hinterlegt werden und müssen in der Praxis dann nur noch per Knopfdruck geladen werden. Dabei senden die Feldgeräte rund um die Uhr wertvolle Informationen über den Gerätezustand und den Prozess zur Anlagensteuerung. So ist eine vorbeugende Wartung möglich und sollte es doch einmal zu einer Störung kommen, kann diese schnell lokalisiert und behoben werden. Das Konzept ermöglicht so eine sehr flexible, aber dennoch robuste und wirtschaftliche Prozessführung im Sinne des Trends zur Digitalisierung und Automatisierung von Produktionsprozessen.

Über Bürkert
Bürkert Fluid Control Systems ist ein weltweit führender Hersteller von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen für Flüssigkeiten und Gase. Lösungen von Bürkert kommen in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen zum Einsatz – das Spektrum reicht von Brauereien und Laboren bis zur Medizin-, Bio- und Raumfahrttechnik. Mit einem Portfolio von über 30.000 Produkten deckt Bürkert als einziger Anbieter alle Komponenten des Fluid Control-Regelkreises aus Messen, Steuern und Regeln ab: von Magnetventilen über Prozess- und Analyseventile bis zu pneumatischen Aktoren und Sensoren. Das Unternehmen mit Stammsitz im süddeutschen Ingelfingen verfügt über ein weit gespanntes Vertriebsnetz in 36 Ländern und beschäftigt weltweit mehr als 3.000 Mitarbeiter. In fünf Systemhäusern in Deutschland, China und den USA sowie vier Forschungs- und Entwicklungszentren entwickelt Bürkert kontinuierlich kundenspezifische Systemlösungen und innovative Produkte. Ergänzt wird die Produktpalette mit dem umfassenden Serviceangebot BürkertPlus, das Kunden während des kompletten Produktlebenszyklus begleitet.

Weitere Informationen unter:

www.buerkert.de

www.facebook.com/Buerkert.Fluidtechnik

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Titelbild: Tomáš Belloň – stock.adobe.com

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Lukas Hammer

Produktmanager Massendurchflussregler bei Bürkert Fluid Control Systems

Marco Antoni

Marco Antoni

Der Diplom-Physiker arbeitet seit Juni 2015 beim Redaktionsbüro Stutensee. Kontakt können Sie via Xing, Twitter und Facebook aufnehmen.

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