Anforderungen und Lösungen für Komponenten von Hygieneprozeßanlagen
von Dr. – Ing. Dieter Hess.

Produktion unter keimarmen oder sterilen Bedingungen ist ein komplexer Prozess, der im Hinblick auf Planung, Konstruktion und Herstellung entsprechender Anlagen höchste Anforderungen an jede einzelne Komponente stellt. Der Anwendungsbereich solcher Verfahren wird ebenfalls durch ständig steigende Ansprüche an Produktqualität und –sicherheit stetig erweitert. Vor allem Kosmetikahersteller und Nahrungsmittelverarbeiter sind durch den vom Verbraucher gewünschten Verzicht auf Konservierungstoffe gezwungen, sich zunehmend mit der Problematik der sterilen Verfahrenstechnik auseinanderzusetzen.

Bei Anlagen für sterile bzw. keimarme Produktion müssen im wesentlichen vier Kriterien optimiert werden:

1.   Reinigungsverhalten
2.   Sterilisierbarkeit
3.   Partikelfreiheit.
4.   Korrosionsbeständigkeit

Die ersten drei Faktoren stehen naturgemäß in engem Zusammenhang zueinander.

Neben der Werkstoffauswahl und konstruktiven Besonderheiten, die vor allem der Vermeidung von Spalten und ähnlichen Toträumen dienen sollen, ist in erster Linie der Zustand der Oberfläche von entscheidender Bedeutung. Jeder Apparat steht mit seiner Oberfläche zwangsläufig in direkter Verbindung mit dem darin befindlichen Medium. Diese Wechselwirkung, die in unserem Fall natürlich so gering wie möglich sein sollte, wird durch den Oberflächenzustand extrem beeinflußt. Als Werkstoffe für Sterilanlagen haben sich austenitische Edelstähle bewährt, da sich damit die genannten Forderungen weitestgehend erfüllen lassen. Die Werkstoffe 1.4404 bzw. 1.4435 sind weit verbreitet und bieten gute Voraussetzungen für eine ideale Oberflächenbehandlung. Von den verschiedenen Verfahren der Oberflächenbehandlung stellt das Elektropolieren in fast jeder Hinsicht ein Optimum dar.

Elektropolieren – ein umgekehrter galvanischer Prozess

In einem galvanischen Bad, gefüllt mit konzentrierter Mineralsäure, läßt man auf das anodisch geschaltete Werkstück ca. 5-15 min eine Gleichspannung einwirken. Behälter, die nicht getaucht werden können, werden mit Innenkathoden versehen und mit dem Elektrolyten befüllt. Die unter bestimmten Bedingungen einsetzende „erzwungene Korrosion“ führt zu einem definierten Materialabtrag. Die Bedingungen sind so gewählt, daß eine Einebnung der Oberfläche eintritt. Die durch das Elektropolieren erzeugte hochglänzende Oberfläche zeigt neben einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit vor allem eine stark verminderte Belagbildung und ein verbessertes Reinigungsverhalten. Gerade diese Vorteile haben dem elektropolierten Apparat in Chemie, Pharmazie und Lebensmitteltechnologie zu Durchbruch verholfen.
Da es sich um einen erzwungenen Korrosionsvorgang handelt, werden auch beim Elektropolieren Schwachstellen im Werkstoff bevorzugt angegriffen. Wenn, aus welchen Gründen auch immer, Carbidausscheidungen an den Korngrenzen entstanden sind, werden diese Zonen unter den drastischen Bedingungen verstärkt aufgelöst. Makroskopisch äußert sich dieser Effekt in einem matten Erscheinungsbild der Oberfläche. Die Rauheitswerte sind in der Regel gegenüber dem Ausgangszustand stark erhöht.

durch die Wärmeeinbringung beim Schweißen nachgeholt wurde.

Ein Phänomen führt bei der Abnahme von elektropolierten Behältern immer wieder zu Diskussionen, wenn auf der ansonsten hochglänzenden Oberfläche an Blockflanschen oder ähnlichen Schmiedeteilen grobkörnige Strukturen sichtbar werden, obwohl der Apparat in geschliffenem Zustand ein einheitliches Bild zeigte.

Die Ursache hierfür liegt in er gegenüber Blechen völlig unterschiedlichen Gefügestruktur von Schmiedeteilen. Durch den elektrochemischen Abtrag wird das relativ grobe Korn freigelegt und aus der Oberfläche herausmodelliert. Die auch in diesem Bereich elektropolierte Oberfläche wird in kleine Segmente unterteilt,  die wiederum infolge ihrer unterschiedlichen Orientierung die Oberfläche zerklüftet erscheinen lassen. Wie man anhand von Profilausdrucken zeigen kann, ist auch hier die Mikrorauhigkeit beseitigt, die meßbaren Größen Ra, Rz jedoch stark erhöht. In Extremfällen kann sich die Ausgangsrauhigkeit verzehnfachen, was jedoch keinesfalls eine zehnmal schlechtere Oberflächenqualität bedeutet:

Wie läßt sich dieses Phänomen vermeiden oder im Nachhinein beseitigen?

Ganz vermeiden läßt sich die beschriebene Erscheinung infolge des beim Elektropolieren notwendigen Abtrags von ca. 40µm leider nicht. Lediglich bei sehr fein (Korn 400) vorgeschliffenen Oberflächen, die einen geringeren Materialabtrag erfordern, tritt sie nicht so stark auf. Eine Erhöhung der Rauhigkeit ist aber auch in diesem Fall zu beobachten.

Nach unseren Erfahrungen ist es am besten, die Oberfläche zu belassen, wie sie ist. Falls dies aus irgendwelchen Gründen nicht möglich ist, empfiehlt sich als Kompromiß Schleifen und anschließend eine erneute Elektropolitur mittels Tampon-Verfahren. Man erreicht hiermit zwar nicht ganz die Qualität einer im Bad behandelten Fläche, kann aber den Materialabtrag exakt steuern und das Verfahren beenden, sobald das Gefüge sichtbar wird und bevor die Rauhigkeit nennenswert zunimmt.

Jede Inhomogenität der Oberfläche hat örtliche Potentialunterschiede zur Folge, wodurch Absorptionsvorgänge zwischen Wand und Produkt begünstigt werden. Ziel einer optimalen Oberflächenbehandlung muß es also sein, wenn möglich eine absolut homogene, metallisch reine Oberfläche zu erzeugen. Ein solcher Idealzustand ist erreicht, wenn die Oberfläche aus nahtlos aneinandergefügten Kristallflächen besteht. Abgesehen davon, daß die erwähnten mechanischen Defekte wie Poren und Mikrorisse beim Schleifen meist nur zugeschmiert werden und damit latent noch vorhanden sind, ist die mikroskopische Struktur dieser Oberfläche noch weit vom Idealzustand entfernt.

Vor allem die für Anwendungen in der Steriltechnik entscheidende Mikrorauhigkeit ist hier gerade nicht beseitigt. Dieser Effekt wird dagegen durch die Elektropolitur erreicht. Es liegt auf der Hand, daß eine Oberfläche, die lediglich eine gewisse Welligkeit besitzt, kaum Angriffspunkte für die Anhaftung irgendwelcher Partikel bietet, und zwar unabhängig von der meßbaren Rauhigkeit. Die Reinigung bzw. Sterilisierung einer Anlage wird somit sehr erleichtert.

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