Prozessfiltration bei hohen Temperaturen: So stimmen Sie Dichtung, Medium und Zyklus ab

In einem Filterprozess ist es nicht der Stahl, um den Sie sich Sorgen machen müssen. Ein Filtergehäuse aus Edelstahl hält problemlos 150 °C stand. Die kleine Union Dichtung, die die Verbindung dicht hält, arbeitet unter genau denselben Bedingungen – jedoch mit einer völlig anderen Materialphysik im Hintergrund. Sie kann versagen, lange bevor der Stahl Anzeichen von Verschleiß zeigt. Wenn der Filter also einmal anfängt zu lecken, liegt das selten am Stahl. Es liegt an der Dichtung.

In unserem ultimativen Leitfaden zur Filtration in der Prozessindustrie haben wir gängige Filtertypen und die allgemeinen Empfehlungen behandelt. Hier gehen wir noch eine Ebene tiefer. Wir betrachten, was tatsächlich mit der Dichtung geschieht, wenn die Temperatur steigt – von typischen Temperaturgrenzen und der Materialauswahl bis hin zur thermischen Ausdehnung und praktischen Empfehlungen. 

Bevor wir uns den Materialien zuwenden, lohnt es sich, die konkreten Zahlen im Hinterkopf zu behalten. In der Prozessindustrie arbeitet man typischerweise in vier recht unterschiedlichen Temperaturbereichen, von denen jeder seine eigenen Anforderungen an den Filter stellt: 

• Pasteurisierung: Typischerweise 85–90 °C bei der Hochtemperaturpasteurisierung. Der Filter befindet sich selten in der Anlage selbst, sondern unmittelbar davor oder danach. 
• CIP-Reinigung: Typischerweise 75–85 °C mit Natronlauge oder Säure. Findet täglich oder mehrmals täglich statt. Die Belastung ist zyklisch, nicht konstant. 
• Reiner Dampf und SIP: Bis zu 140–150 °C. Die anspruchsvollste thermische Belastung, die der Filter typischerweise ausgesetzt ist. 
• Heißwasserbehandlung: 80–95 °C, wird häufig als Alternative zur chemischen CIP in Molkereien eingesetzt. 

Der entscheidende Punkt ist, dass nicht nur die Spitzentemperatur zählt. Die Kombination aus Temperatur, chemischer Belastung und der Anzahl der Zyklen im Laufe der Zeit bestimmt, wie lange die Dichtung hält. 

Die Gummimaterialien stellen den thermischen Engpass des Filters dar, und die Wahl des Materials bestimmt die Leistungsgrenzen des Filters. Die vier gängigen Materialien – EPDM, NBR, FPM und PTFE – haben jeweils ihre eigenen Temperaturbereiche und Stärken: 

EPDM ist die Standardwahl für die meisten Lebensmittelanwendungen und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Hitzebeständigkeit und chemischer Beständigkeit gegenüber CIP-Flüssigkeiten. Doch unabhängig davon, für welches Material Sie sich entscheiden, müssen Sie die Dichtung anhand von zwei Parametern gleichzeitig spezifizieren. Wenn Sie Ihre Wahl ausschließlich anhand des Mediums treffen, könnten Sie die thermische Grenze übersehen. Wenn Sie Ihre Wahl ausschließlich anhand der Temperatur treffen, kann das Medium die Dichtung bei derselben Temperatur zerstören, die sie sonst ausgehalten hätte. 

Alle Werkstoffe dehnen sich bei Erwärmung aus, jedoch bei weitem nicht im gleichen Tempo. Gummi dehnt sich bei gleichem Temperaturanstieg etwa zehnmal stärker aus als Stahl, und genau dieser Unterschied verursacht die versteckte Belastung in Ihrer Verbindung. 

Bei Erwärmung wird das Elastomer zusätzlich gegen die Dichtfläche gedrückt, und die Dichtkraft steigt. Das ist an sich selten ein Problem. Beim Abkühlen zieht sich das Elastomer jedoch schneller zusammen als der Stahl, die Dichtkraft nimmt ab, und das Risiko einer Leckage ist in dieser Übergangsphase am größten. Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen federt das Elastomer nicht mehr zurück. Dies wird als bleibende Verformung (Compression Set) bezeichnet, und die Folge ist, dass die Dichtung nicht mehr richtig schließt – auch nicht, wenn die Anlage ihre Betriebstemperatur erreicht hat. 

Ein Rechenbeispiel verdeutlicht dies: Wenn Ihr Filter zwei tägliche CIP-Zyklen bei 85 °C und anschließender Abkühlung auf 5 °C durchläuft, ist die Dichtung pro Jahr etwa 700 thermischen Zyklen ausgesetzt. Das ist die Art von Belastung, die Dichtungen verschleißt, selbst wenn sie innerhalb ihrer Spezifikationen bleiben. Daher ist die Anzahl der Zyklen ein besserer Maßstab für Ihr Austauschintervall als der Kalender selbst.

Die Branchen, mit denen wir typischerweise zusammenarbeiten, setzen ihre Filter jeweils einer individuellen Kombination aus Temperatur, chemischen Einflüssen und Zyklusfrequenz aus – und das beeinflusst die Materialauswahl. In Brauereien ist der Prozess selbst moderat, mit einem Sud bei etwa 100 °C und kalten Gär- und Lagertanks am anderen Ende. Es ist die tägliche CIP-Reinigung bei 75–85 °C, die den größten Verschleißfaktor für die Dichtungen darstellt. 

In der Molkerei ähnelt die CIP-Temperatur der in der Brauerei, doch die chemischen Bedingungen sind andere. Milchstein erfordert eine aggressivere Reinigung mit Laugen als Bierrückstände, und die Pasteurisierung – insbesondere UHT (Ultra-High-Temperature) bei bis zu 135 °C – setzt eine höhere thermische Obergrenze. EPDM ist nach wie vor die Standardwahl in beiden Bereichen, doch in Molkereianlagen mit häufiger UHT-Behandlung oder besonders aggressiver CIP-Reinigung wird das Material stärker an seine Grenzen gebracht, sodass die Austauschintervalle oft verkürzt werden müssen. Hier sind Siebdichtungen eine naheliegende Lösung, da Dichtung und Filterelement gleichzeitig ausgetauscht werden.

In der Pharma- und Bioprozessindustrie sieht die Situation anders aus. Hier ist es nicht die Reinigung, sondern die Sterilisation, die die thermische Obergrenze vorgibt. SIP mit gesättigtem Dampf läuft typischerweise bei 121–135 °C für mindestens 15–30 Minuten pro Zyklus durchgeführt, was EPDM nahe an seine Obergrenze bringt. In Versorgungsleitungen mit reinem Dampf sind FPM oder PTFE daher oft die naheliegende Wahl, da sie bis zur Betriebstemperatur mehr Spielraum haben und wiederholter Dampfeinwirkung besser standhalten. Wenn Sie sich für EPDM in SIP-Anwendungen entscheiden, sollte der Lieferant die Haltbarkeit genau für die von Ihnen verwendeten Zykluszeiten, Temperaturen und Frequenzen nachweisen. Andernfalls laufen Sie Gefahr, die Grenzen des Materials früher als erwartet zu erreichen.

Die Auswahl des richtigen Filters für hohe Temperaturen beginnt mit drei Entscheidungen, die Sie mit Ihrem Lieferanten abstimmen können:  

1. Spezifizieren Sie den thermischen Zyklus, nicht nur die Spitzentemperatur: Geben Sie an, welchen Belastungen der Filter über einen gesamten Betriebszyklus in Ihrer Anlage ausgesetzt ist – Erwärmung, Betrieb, Abkühlen und Ruhephase. 
2. Passen Sie das Dichtungsmaterial sowohl an das Medium als auch an die Temperatur an: Verlangen Sie einen Nachweis der Verträglichkeit bei der tatsächlichen Betriebstemperatur, nicht bei 20 °C. 
3. Wechseln Sie Dichtungen nach Zyklen, nicht nach Kalender: Passen Sie den Wartungsplan an die tatsächliche thermische Belastung der Anlage an – in vielen Molkereien bedeutet dies kürzere Intervalle als in einer Brauerei. Elastomere sind Verschleißteile und sollten Teil Ihres Ersatzteillagers sein, damit Sie bei einer Leckage nicht vor einem leeren Regal stehen. 

Das Filtergehäuse verträgt die hohen Temperaturen problemlos. Es ist jedoch die Dichtung selbst, die bestimmt, wie lange Ihr Filter der Temperatur ohne Ausfall standhält. Und bei der Wahl zwischen EPDM, NBR, FPM und PTFE spielt der Zyklus eine ebenso große Rolle wie die Spitzentemperatur. 

Sollten Sie Fragen zur Materialauswahl oder zur Temperaturbeständigkeit haben, können Sie sich gerne an uns wenden. Rufen Sie uns an unter +45 7020 0422 oder schreiben eine E-Mail an Sie an anfrage@alfotech-deutschland.de – wir helfen Ihnen gerne weiter. 

Entscheiden Sie sich für FPM, wenn die Betriebstemperatur über 150 °C liegt oder wenn das Medium chemisch so aggressiv ist, dass EPDM dem nicht standhält. Bei SIP über 121 °C und bei Kombinationen aus hohen Temperaturen und Öl oder Fett ist FPM oft die richtige Wahl für Ihren Prozess. Beachten Sie jedoch, dass FPM nicht für alle CIP-Flüssigkeiten geeignet ist. Insbesondere heiße, konzentrierte Natronlauge kann ein Problem darstellen. 

Ja, sofern Sie das entsprechende Material dafür ausgewählt haben. EPDM hält im Rahmen seiner Spezifikation problemlos 85 °C stand, doch es ist die zyklische Belastung, die zu Verschleiß führt – nicht die Temperatur an sich. Bei zwei Zyklen pro Tag erreichen Sie leicht 700 Zyklen pro Jahr, und selbst eine Dichtung, die innerhalb ihres Temperaturbereichs betrieben wird, erleidet im Laufe der Zeit eine bleibende Verformung. Behalten Sie den Differenzdruck im Auge und planen Sie Ihre Austauschintervalle anhand der Anzahl der Zyklen. 

Es gibt kein einheitliches Intervall, da die Belastung von Anlage zu Anlage sehr unterschiedlich ist. Als Faustregel gilt, dass Ihr Austauschintervall auf der Anzahl der Zyklen und auf Beobachtungen basieren sollte: Differenzdruck, Anzeichen von Verformung, Verhärtung oder Undichtigkeiten beim Anfahren. 

Ja. SIP läuft typischerweise bei 121–140 °C und bringt EPDM bis an seine Grenzen. Wenn Sie wiederholte SIP-Zyklen durchführen, sollten Sie FKM oder PTFE in Betracht ziehen, und das Material sollte speziell für den von Ihnen durchgeführten Zyklus geprüft werden. Gleichzeitig wird die thermische Ausdehnung stärker ausgeprägt, und das Risiko von Undichtigkeiten in der Abkühlphase steigt. 

Ja, ein Thermoschock stellt eine echte Belastung dar. Wenn ein heißer Filter am Ende des CIP-Programms mit kaltem Wasser in Berührung kommt, zieht sich das Elastomer viel schneller zusammen als der Stahl, was eine bleibende Verformung der Dichtung beschleunigt. Mit der Zeit können zudem Mikrorisse in den Schweißnähten entstehen. Solche Schocks lassen sich selten vollständig vermeiden, aber Sie können dem entgegenwirken, indem Sie Dichtungsmaterialien verwenden, die den in Ihrer Produktion auftretenden Temperaturunterschieden standhalten.