Einführung — Was ist eine Zellenradschleuse und wann wird sie verwendet
Die Zellenradschleuse (Rotary Valve; Airlock) ist eine Prozessausrüstung für den Umgang mit Pulvern und Granulaten: Der Zellenrotor transportiert Produkt von einem Punkt zum anderen, steuert die Durchflussrate und fungiert häufig als Druckbarriere (Airlock) zwischen Zonen mit unterschiedlichem Druck. In pharmazeutischen Linien wird sie in Phasen wie: Entleerung von Silos/IBC, Beschickung von Mühlen und Mischern, pneumatischer Förderung, Dosierung zu Pressen und Verkapselungsmaschinen eingesetzt.
Wann wird sie verwendet:
- Für kontrollierte Entleerung (gravimetrisch oder pneumatisch unterstützt) von Pulvern/Granulaten.
- Für Druckisolierung in pneumatischen Fördersystemen (Dünn-/Dichtstrom) oder zwischen Zonen mit ΔP.
- Für wiederholbare Dosierung, wenn die Steuerung über die Rotordrehzahl einen stabilen Durchfluss gewährleistet.
- Zur Verhinderung von Luft-/Gasrückfluss und Erhaltung der Integrität des nachgeschalteten Prozesses.
In der Pharmazie erfordert die Auswahl Aufmerksamkeit für Hygiene, Reinigung und Dokumentation (cGMP), konforme Materialien und Oberflächen (FDA, USP Klasse VI), schnelle Demontage zur Reinigung und CIP/SIP-Fähigkeit, wo anwendbar.
Funktionsweise — Prinzipien (Rotor, Abdichtung, Durchflussrate)
Die Schleuse besteht aus einem Gehäuse mit Einlass und Auslass sowie einem Rotor mit Hohlräumen (Zellen). Das Produkt füllt durch Schwerkraft (oder von Luft mitgerissen beim Blow-through-Typ) die Zellen im oberen Teil und wird unten ausgetragen, während sich der Rotor dreht.
Schlüsselprinzipien:
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Abdichtung/Airlock: Geeignete Spalte zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse minimieren den Luftbypass und gewährleisten die Druckisolierung.
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Durchflussrate: Proportional zu Volumen pro Umdrehung (Zellengeometrie) × Drehgeschwindigkeit.
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Scherung und Produktintegrität: Rotorgeometrie und Material beeinflussen die schonende Handhabung und reduzieren den Abbau empfindlicher Partikel.
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Reinigung und Demontage: In pharmazeutischen Umgebungen ist ein hygienisches und zerlegbares Design wesentlich, um Toträume zu vermeiden und Reinigung/Inspektion zu erleichtern.
Gängige Konfigurationen:
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Drop-through (Schwerkraftentleerung): Produkt fällt durch die Schleuse; verwendet als Förderer/Isolator.
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Blow-through: Schaufeln entleeren direkt in eine pneumatische Leitung; verbessert die Aufnahme und reduziert Ansammlungen.
Arten von Zellenradschleusen für Schüttgüter
Nach Funktion und Rotorgeometrie
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Rotor mit geraden Schaufeln (Mehrzellen): Am häufigsten für allgemeine Airlock-/Förderanwendungen.
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Scalloped/gerundeter Rotor: Reduziert Rückstände und Scherung bei empfindlichen Partikeln.
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Rotor mit flexiblen Spitzen (z.B. PTFE): Gleicht kleine Toleranzen aus, verbessert die Abdichtung bei geringem Abrieb.
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Dosierrotor (geringes Volumen/Mikrodosierung): Reduzierte Hohlräume für feine und wiederholbare Dosierung (natürliche Synergie mit Rotodoser).
Nach Konstruktion und Hygienisierung
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Zweiteiliges Gehäuse/Cantilever: Erleichtert das Herausziehen des Rotors ohne Entfernen der Schleuse aus der Linie; beschleunigt Reinigung/Inspektion.
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Hygienisches Design mit abgerundeten Innenkanten, verdeckten Befestigungselementen und polierten Oberflächen: Minimiert Rückstände und erleichtert CIP/SIP.
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Blow-through vs. Drop-through-Ausführung (siehe oben).
Nach Material und Oberfläche
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AISI 316L (Pharmastandard) mit Elektropolieren; typische Rauheit Ra ≤ 0,8 μm (viele Anwendungen erfordern Ra ≤ 0,5/0,4 μm).
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Hastelloy (C-22/C-276) für korrosivere Umgebungen.
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Rotoren aus 316L oder technischen Polymeren (z.B. PEEK) zur Reduzierung von Reibung/Adhäsion; Dichtungen aus FDA/USP Klasse VI-Materialien (PTFE, EPDM, FKM, Silikon).
Auswahlkriterien — Vom Pulver zum Prozess
Für eine korrekte Spezifikation sind Produkteigenschaften und Prozessbedingungen zu berücksichtigen:
Partikelgröße & Form
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Kohäsive Feinteile (z.B. mikronisierter API) packen/haften: bevorzugen Sie polierte Oberflächen, gerundeten Rotor, mögliche Antihaftbeschichtungen und Trichterfließhilfen.
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Größere, frei fließende Granulate: Fokus auf volumetrische Kapazität und Airlock.
Hygroskopizität und statische Elektrizität
- Hygroskopische Produkte neigen zum Anhaften; erwägen Sie Trockenluftspülung und Umgebungskontrolle.
- Elektrostatische Ladungen erfordern Erdung und manchmal antistatische Materialien.
Abrasivität
- Harte Partikel erfordern robuste Materialien (316L mit Behandlungen/Härte oder Hastelloy) und korrekte Spalte, um vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden.
Schüttdichte und erforderliche Durchflussrate
- Bemessen Sie Volumen pro Umdrehung und Drehzahlbereich; bei Dosierung Durchflussstabilität überprüfen (kann geschlossene Regelung mit vor-/nachgeschalteter Wägung erfordern).
Druck/Temperatur
- Beurteilen Sie, ob die Schleuse als Airlock (ΔP) arbeitet. Stellen Sie sicher, dass Dichtungen und Spalte die Betriebstemperatur unterstützen (und CIP/SIP, falls vorhanden).
ATEX / Staubgefährdung
- Identifizieren Sie die Zonenklassifizierung und fordern Sie konforme Ausführung (Erdung, zertifizierte Komponenten).
Reinigung und Validierung (cGMP)
- Bedarf an schneller Demontage und/oder CIP/SIP; Materialrückverfolgbarkeit, Zertifizierungen (FDA/USP), IQ/OQ und Dokumentation.
Mechanische Schnittstellen
- Hygienische Verbindungen (Tri-Clamp, SMS, BFM®/Manschetten), Ausrichtung (vertikal/horizontal), Platz für Rotorentnahme (bei Cantilever).
Hygienische und Konformitätsanforderungen
In der Pharmazie muss die Zellenradschleuse cGMP und geltende Vorschriften einhalten, einschließlich:
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Kontaktmaterialien: AISI 316L als Standard; Dichtungen mit FDA-Konformität (21 CFR) und, wenn erforderlich, USP Klasse VI; für stärkere Korrosion Hastelloy.
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Oberflächengüte: Ra ≤ 0,8 μm (üblich) oder besser basierend auf Rückstands-/Reinigungsrisiko. Elektropolieren empfohlen.
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Hygienisches Design: Kontinuierliche Oberflächen, Innenradien, keine Spalten/freiliegenden Gewinde in der Produktzone, schnelle Rotor-/Gehäusedemontage.
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Reinigung: CIP/SIP-Kompatibilität wo anwendbar (geeignete Geometrien und Dichtungen) oder werkzeuglose Demontage für validierbare manuelle Reinigung.
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Dokumentation: DQ/IQ/OQ, Materialzertifikate, Rückverfolgbarkeit, Reinigungs-/Wartungshandbücher und Ersatzteilliste.
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Sicherheit: ATEX-Konformität/Zonen mit explosiven Stäuben, Erdung und mechanische Schutzvorrichtungen.
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Lebensmittelkontakt: Wo Schnittstellen mit Nahrungsergänzungsmitteln/Lebensmitteln existieren, auch Beachtung der Verordnung (EG) 1935/2004.
Linienintegration — Verbindungen und typische Layouts
Mit pneumatischen Förderern
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Blow-through: Rotor entleert direkt in die Rohrleitung und optimiert die Luftaufnahme; angezeigt, wenn Platz kritisch ist oder Risiko von Auslassansammlung besteht.
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Drop-through mit nachgeschalteter Aufnahme: Üblich in der Dünnphase; kann Bypass/Entlüftung erfordern, um Drücke auszugleichen und Wiederbelüftung im Trichter zu reduzieren.
Mit Silos/IBC, Mühlen, Mischern und Pressen
- Bei IBC-/Siloentleerung fungiert die Schleuse als Förderer; kombinieren Sie mit Massiergeräten, Vibratoren oder Fluidisierungskegeln für kohäsive Pulver.
- Bei Mühlen-/Mischerbeschickung: Ziel ist stabiler Durchfluss und Anti-Entmischung.
- Vor Pressen/Verkapselungsmaschinen, wenn Feindosierung erforderlich ist, evaluieren Sie Rotodoser-Lösungen (Mikrodosierung) mit Drehzahlregelung und, falls erforderlich, geschlossenem Regelkreis über Kontrollwaage.
Automatisierung & Steuerung
- Frequenzumrichter (VFD) zur Regelung der Durchflussrate.
- Drehzahl-/Drehmomentsensoren für Schutz/Diagnose.
- Verriegelungen mit vor-/nachgeschalteten Systemen (Druckschalter, Füllstand).
- Produktrezepte (Drehzahl, Sollwerte, Freigaben).
Häufige Probleme und deren Lösungen
Verdichtung/Brückenbildung im Trichter
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Ursachen: Kohäsives Pulver, Feuchtigkeit, geringe Energie im Trichter.
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Lösungen: Fließhilfen (Vibrator, Massiergerät), geeigneter Trichterwinkel, Antihaftbeschichtungen, Trockenluftspülung, Rotor/Schaufeln mit schonender Geometrie.
Abrieb und Verschleiß
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Ursachen: Harte Partikel; ungeeignete Spalte.
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Lösungen: Widerstandsfähige Materialien/Behandlungen (hochfester 316L, Hastelloy), korrekte Spalte, austauschbare Spitzen (z.B. PTFE), wo anwendbar.
Airlock-Verlust / Luftleckage
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Ursachen: Rotor-/Dichtungsverschleiß; übermäßiger Spalt.
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Lösungen: Vorbeugende Wartung, flexible Spitzen, ΔP-Überprüfung und Trichterentlüftung.
Produktabbau / Feinteilerzeugung
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Ursachen: Aggressive Schaufeln; hohe Drehzahl.
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Lösungen: Gerundeter Rotor, niedrigere Drehzahl, größeres Volumen pro Umdrehung (gleiche Durchflussrate bei niedrigerer Geschwindigkeit).
Verschleppung / Rückstände
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Ursachen: Geometrien mit scharfen Kanten; schlechte Oberfläche.
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Lösungen: Polieren/Elektropolieren, abgerundete Kanten, hygienisches Design ohne Toträume.
Praktische Fälle (Illustrative Beispiele)
Fall 1 — Stabile Beschickung einer Tablettenpresse (API + Hilfsstoff)
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Herausforderung: Empfindliche und teilweise kohäsive Mischung erzeugte Tabletten-Gewichtsvariabilität.
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Lösung: Hygienische Zellenradschleuse mit gerundetem Rotor, Ra ≤ 0,5 μm, VFD-Steuerung und Luftbypass zur Stabilisierung des Trichterdrucks.
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Ergebnis: Reduzierte Beschickungsvariabilität, bessere Tablettengleichmäßigkeit und weniger Nacharbeit.
Fall 2 — Blow-through-Pneumatikförderung bei hygroskopischem Granulat
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Herausforderung: Auslassansammlung in Drop-through-Konfiguration und Feuchtigkeitsaufnahme im Trichter.
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Lösung: Migration zu Blow-through, Trockenluftspülung in der Ladezone, USP Klasse VI-Dichtungen kompatibel mit SIP.
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Ergebnis: Beseitigung von Ansammlungen, weniger Reinigungsstillstände und Erhaltung der Fließfähigkeit.
Vergleichstabelle — Materialien & Dichtungen (Technische Zusammenfassung)
| Kontaktelement |
Typische Optionen |
Wann bevorzugen |
Pharma-Hinweise |
| Gehäuse/Deckel |
AISI 316L |
Pharmazeutischer Standard |
Elektropoliert; Ra ≤ 0,8/0,5/0,4 μm je nach Risiko |
| Gehäuse/Deckel |
Hastelloy C-22/C-276 |
Aggressive/korrosive Umgebung |
Höhere Kosten; nur bei Bedarf bewerten |
| Rotor |
Polierter 316L |
Vielseitig und robust |
Weniger Adhäsion bei hoher Politur |
| Rotor |
PEEK (technisches Polymer) |
Reduziert Reibung/Adhäsion |
Thermische/SIP-Kompatibilität prüfen |
| Spitzen/Dichtungen |
PTFE (FDA/USP VI) |
Geringe Reibung und chemische Inertheit |
Mögliche Federversion (Lippendichtungen) |
| Dichtung |
EPDM (FDA/USP VI) |
Wasser/alkalisches CIP |
Kompatibilität mit Lösungsmitteln/Aromen prüfen |
| Dichtung |
FKM/Viton® (FDA/USP VI) |
Lösungsmittel/Öle |
Temperaturgrenze je nach Qualität |
| Dichtung |
Silikon (FDA/USP VI) |
Breite Kompatibilität |
Guter Temperaturbereich; Vorsicht bei Lösungsmitteln |
Hinweis: Die endgültige Wahl hängt von Produkt, Reinigung, Temperatur, ΔP, CIP/SIP und Validierungsanforderungen ab.
Technische Checkliste für Angebotsanfrage (für geschütztes PDF)
Verwenden Sie diese Checkliste, um ein gezieltes technisches Angebot anzufordern:
Zum Produkt (Pulver/Granulat)
- Name/Zusammensetzung (API/Hilfsstoffe angeben, die die Kompatibilität beeinflussen)
- Partikelgröße (D10/D50/D90) und Schüttdichte
- Kohäsion/Hygroskopizität (z.B. Schüttwinkel, Kompressibilitätsindex)
- Abrasivität und Empfindlichkeit gegenüber Abbau
- Betriebs-Temperatur/Feuchtigkeit
Zum Prozess
- Schleusenfunktion: Airlock, Förderer oder Dosierer (Mikrodosierung?)
- Minimale/maximale Durchflussrate (kg/h) und erforderliche Stabilität
- Position (Drop-through/Blow-through), verfügbarer Platz, Ausrichtung
- ΔP zwischen vor-/nachgeschaltet und Betriebsdruck/-temperatur
- Integrationen: Silo/IBC, Mischer, Mühle, Presse, pneumatische Förderung (Phase, Luftdurchflussrate)
Mechanische & hygienische Ausführung
- Gehäuse-/Rotormaterial (316L, Hastelloy, PEEK-Rotor?)
- Erforderliche Innenoberfläche (Ra-Ziel) und Elektropolieren
- Dichtungen (PTFE, EPDM, FKM, Silikon; FDA/USP VI erforderlich)
- Schnelldemontage/Cantilever; CIP/SIP (ja/nein)
- Verbindungen (Tri-Clamp, SMS, BFM®/Manschette), Innenradius-Anforderungen und keine Spalten
Automatisierung & Steuerung
- Drehzahlbereich; Motor + Umrichter; Sensoren (Drehzahl/Drehmoment)
- Sicherheitsverriegelungen und Freigaben
- Dosier-Wiederholbarkeit/-Steuerungsgrad (falls im Regelkreis)
Dokumentation & Validierung
- Material- und Dichtungszertifikate (FDA, USP VI)
- DQ/IQ/OQ, FAT/SAT, Reinigungs-/Wartungshandbücher
- Kritische Ersatzteilliste (Dichtungen, Spitzen, Rotor)
Technische FAQ
1) Kann die Zellenradschleuse präzise dosieren?
Ja, bei volumetrischer Dosierung, bei der die Durchflussrate eine Funktion von Volumen/Umdrehung und Drehzahl ist. Für höhere Präzision/Wiederholbarkeit werden geschlossener Regelkreis (Wägung) oder dedizierte Mikrodosier-Lösungen (z.B. Rotodoser) empfohlen.
2) Wie wählt man zwischen Drop-through und Blow-through?
Blow-through ist vorzuziehen, wenn nachgeschaltete pneumatische Förderung existiert und Risiko von Auslassansammlung/Feuchtigkeit besteht; Drop-through ist einfach und robust für Schwerkraftbeschickung.
3) Ist CIP/SIP möglich?
Es hängt vom Design ab. Es existieren hygienische Ausführungen, die mit CIP/SIP kompatibel sind; andere verwenden validierbare Schnelldemontage. In der Angebotsanfrage definieren.
4) Was bestimmt die Oberfläche (Ra)?
Das Rückstandsrisiko und die Reinigungsmethode. Kohäsive Produkte und manuelle Reinigung erfordern niedrigeres Ra (≤ 0,5/0,4 μm). Elektropolieren hilft.
5) Wie vermeidet man Partikelabbau?
Verwenden Sie gerundeten Rotor, niedrigere Drehzahl und größeres Volumen pro Umdrehung für die gleiche Durchflussrate; minimieren Sie aggressive Spalte.
6) Welche Dichtungen wählen?
Abhängig von Chemie/Temperatur/CIP. PTFE ist inert und reibungsarm; EPDM/FKM/Silikon variieren je nach Lösungsmitteln und Temperatur. FDA/USP VI erforderlich.
7) Ist die Schleuse ATEX-konform?
Ja, wenn spezifiziert und für die Zone gebaut. Klassifizierung in Angebotsanfrage angeben und Erdung sowie geeignete Komponenten sicherstellen.
8) Wann ist Hastelloy in Betracht zu ziehen?
Nur bei signifikanter Korrosion, die 316L kritisch macht — Kosten/Nutzen bewerten.
Gute Installations- & Wartungspraktiken
- Platz an der Vorderseite für Rotorentnahme (bei Cantilever) und Inspektionszugang vorsehen.
- Bypass/Entlüftung installieren, um Trichterdruck zu stabilisieren.
- Alle Abschnitte erden, um Ladungen zu vermeiden.
- Wartungsplan mit regelmäßiger Überprüfung von Spalten, Dichtungen und Rotorverschleiß.
- Validierte Reinigungsverfahren mit Schritten und Kontrollen nach der Wiedermontage.
- Minimales Ersatzteilset: Dichtungssatz, Spitzen (falls anwendbar) und Rotor (wenn kritisch für Betriebszeit).
