Für die Pharmazeutik werden gläserne Hohlkörper in riesigen Stückzahlen gefertigt. Kompakte Massendurchflussregler von Bürkert ermöglichen eine reaktionsschnelle Gasdosierung.

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 Materialzusammensetzung 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.

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
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.. 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.
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.

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.