Digitales Temperiergerät

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Die Temperatur ist ein entscheidender Parameter bei Verfahren wie der chemischen Synthese, der Extraktion natürlicher Moleküle, der Fermentation und sogar bei biochemischen Prozessen.
Diese Prozessschritte finden in unterschiedlichsten Anlagen statt – darunter Reaktoren, Verdampfer (Reboiler), Kristallisatoren, Filtertrockner, Trockner, Fermenter und Bioreaktoren. Sie alle haben eines gemeinsam: einen Mantel, durch den ein Wärmeträgermedium zirkuliert, um die Prozesstemperatur zu regeln.
Die aufeinanderfolgenden Phasen eines Batch-Prozesses (Chargenprozesses) laufen in derselben Einheit bei unterschiedlichen Temperaturen ab – typischerweise im Bereich von -20 °C bis 150 °C, wobei bei anspruchsvollen Verfahren auch Temperaturen bis +200 °C oder sogar -100 °C erforderlich sein können.

Anlagenbetreiber haben spezifische Anforderungen hinsichtlich:
• Produktivität: Bei Temperaturwechseln darf keine Zeit verloren gehen.
• Produktionsqualität: Die Temperatur muss präzise und gleichmäßig sein; das Produkt darf bei Kontakt mit der Behälterwand nicht überhitzen. Die Zieltemperatur des Prozesses muss direkt erreicht werden, ohne dass es zu einem „Überschwingen“ kommt.
• Sicherheit: Bei exothermen Reaktionen entstehende Wärme muss wirksam abgeführt werden.
• Anlagenwartung: Die wiederholte Einspeisung von Dampf, Wasser oder Sole verursacht stark schädigende Korrosion. Vorteilhafter ist der Einsatz eines sekundären Wärmeträgerkreislaufs – eines sogenannten „Monofluid“-Systems –, bei dem dasselbe sauerstofffreie Medium über den gesamten Temperaturbereich hinweg durch den Reaktormantel zirkuliert.

Seit vielen Jahren ist CELSIUS auf die Konstruktion und Fertigung einer speziellen Einheit spezialisiert, die als Thermal-Skid, Monofluid-Skid oder Energiemodul bezeichnet wird. Das Wärmeträgermedium (ein „Single-Fluid“-Medium wie Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch oder Thermoöl) wird entsprechend dem Temperaturbereich ausgewählt. Es wird je nach Prozessanforderungen mithilfe bauseitiger Versorgungsmedien – etwa Dampf, Strom, Wasser, Wasser-Glykol, Sole, Thermoöl oder sogar flüssigem Stickstoff für Kryo-Temperaturen – erwärmt oder gekühlt. Um Spannungen durch Temperaturunterschiede und -schwankungen zu vermeiden, kommen Wärmetauscher in Spiralrohrbauweise zum Einsatz.

Alle für die Temperaturregelung erforderlichen Komponenten – Umwälzpumpe, Wärmetauscher, Regelventile, Absperrventile, Instrumentierung, Automatisierungssysteme usw. – sind zu einer kompakten Einheit auf einem gemeinsamen Rahmen (Skid) zusammengefasst. Die Einheit wird vollständig montiert, verrohrt, isoliert und verkabelt an den Standort geliefert, wodurch der Zeitaufwand für Installation, Anschluss und Inbetriebnahme vor Ort (oft ein Betriebsbereich unter der Seveso-Richtlinie) minimiert wird.
Das Energiemodul wird mit einem CE-Typenschild und einer CE-Konformitätserklärung gemäß der europäischen Druckgeräterichtlinie (DGRL) PED 2014/68/EU sowie – sofern zutreffend – der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU für Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen geliefert; zudem ist ein Protokoll zur Installationsqualifizierung (IQ) enthalten, um die Validierung der Anlage gemäß FDA-Vorgaben zu erleichtern.

Auf der Basis umfassender Erfahrung verfügt CELSIUS über das gesamte für die Auslegung und Fertigung dieser Prozessanlage erforderliche Know-how; die Anlage regelt die Temperatur der Reaktionsmasse im Produktionsbehälter.
Basierend auf der Zieltemperatur der Masse und den Messwerten von Temperatursensoren sowohl im Reaktor als auch im Ein-Fluid-Kreislauf wählt das Automatisierungssystem den geeigneten Wärmetauscher aus und steuert die Absperr- und Regelventile an.
Darüber hinaus integriert das CELSIUS-Automatisierungssystem einen digitalen Zwilling des Reaktors und des Energiemoduls. Der Reaktor wird anhand seiner Betriebseigenschaften – wie etwa Mantel, Rührwerk und Lösemittelgehalt – modelliert. Während einer Betriebssimulation steuern die Temperaturwerte die Regelventile. Die Ventilpositionen wiederum ermöglichen die Berechnung von Strömungsgeschwindigkeiten, Strömungseigenschaften und Wärmeübergangskoeffizienten im Mantel und im Wärmetauscher; dies erlaubt die Bestimmung der Temperaturen im Reaktor und im Ein-Fluid-Kreislauf für den jeweils nächsten Zeitschritt.
Durch die Verwendung der anlagenspezifischen Parameter des Betreibers kann der digitale Zwilling des Gesamtsystems (Reaktor und Energiemodul) bereits vor der Auslieferung über Wochen hinweg betrieben werden. Dies ermöglicht die Optimierung der Regelparameter, sodass die Inbetriebnahmephase auf einen einzigen Tag beschränkt werden kann, wobei Einstellungen verwendet werden, die bereits auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen abgestimmt sind.