gesponsertLabor-Vakuumsysteme Auslegung und Optimierung für einen effizienten Betrieb

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Pfeiffer Vacuum GmbH

Vakuumsysteme arbeiten im Labor oft im Hintergrund. Doch was passiert, wenn Vorpumpen ineffizient ausgelegt sind? Ein Praxisbeispiel zeigt, warum die Architektur der Vakuumversorgung über Kosten, Stabilität und Arbeitsbedingungen entscheidet.

Der verborgene Held des Laborbetriebs

Wenn Sie in ein analytisches Labor gehen, werden Sie Vakuumtechnologie antreffen. Vakuum verhindert beispielsweise in Massenspektrometern die Streuung von Ionen und gewährleistet Messungen des Masse-zu-Ladungs-Verhältnisses. Viele weitere Laborprozesse würden ohne Vakuumtechnik nicht funktionieren.

Vakuumtechnik findet in vielen Laboranwendungen Anwendung, wie Abbildung 1 zeigt:

Beispiele sind analytische Instrumente, präparative Syntheseanwendungen und Oberflächenwissenschaften.

Ineffiziente Vakuumkonfigurationen

Vakuumsysteme im Labor müssen die erforderlichen Betriebsbedingungen schaffen. Nicht optimierte Vakuumkonfigurationen können dieses Ziel beeinträchtigen.

Die Folgen einer unzureichenden Vakuumversorgung können sein:

• Geräteausfall
• Erhöhtem Wartungsaufwand
• Erhöhtem Energieverbrauch
• Erhöhten Geräuschemissionen
• Erhöhtem Vibrationsniveau

• Erhöhtem Kontaminationsrisiko
• Weniger stabilen Vakuum-Konditionen
• Schwankungen in analytischen oder experimentellen Ergebnissen

Direkte Kosten entstehen durch Stillstandszeiten, verkürzte Wartungsintervalle und unnötige Leistungsaufnahme, indirekte Kosten unter anderem durch erhöhten Personalaufwand. Erhöhte Lärm- und Vibrationsniveaus mindern die Qualität des Arbeitsplatzes.

Eine optimierte Vakuumversorgung senkt die Betriebskosten, erhöht die Prozessstabilität und kann die Arbeitsbedingungen durch weniger Geräuschemission verbessern.

Weitere Aspekte einer optimierten Vakuumversorgung:

• Wechselwirkung mehrerer Pumpen und erforderlicher Vorvakuumdruck: Viele Laboranwendungen erfordern Hochvakuum, das meist durch mehrere Pumpstufen erzeugt wird. Der Vorvakuumdruck ist ein wichtiger Designparameter. Eine zu kleine Vorpumpe kann die Vakuumperformance des Gesamtsystems verschlechtern. Eine Überdimensionierung führt zu einem erhöhten Energiebedarf.
• Intelligente Pumpen: Drehzahlgeregelte Vakuumpumpen passen ihren Betriebspunkt an den Prozess an, was den Bedarf an elektrischer Energie und die mechanische Beanspruchung beweglicher Komponenten reduziert. Darüber hinaus werden Geräuschpegel und Vibrationen reduziert.
• Austausch mehrerer kleiner Vakuumpumpen durch eine größere: In vielen Laboren arbeiten mehrere Instrumente parallel, die jeweils externe Vorvakuumpumpen nutzen. Eine größere, passend dimensionierte Vorpumpe kann Effizienz und Platzbedarf verbessern.
• Zentrale Vakuumversorgung statt dezentraler Einzelversorgung: Ein zentrales System stellt ein definiertes Vakuumniveau bereit und versorgt mehrere Arbeitsplätze oder Instrumente. Im Vergleich zu Einzellösungen kann es Effizienz, Wartungsplanung sowie Wärme- und Geräuschemissionen verbessern.
• Redundanz: Fällt die Vakuumerzeugung aus, entstehen Stillstand, ungültige Messungen oder Prozessstörungen. Redundanz reduziert das Risiko eines einzelnen Ausfallpunkts.

Zentrale Vorvakuumversorgung bei Eurofins Umwelt West GmbH

Eurofins Umwelt West GmbH in Wesseling analysiert Umweltschadstoffe in Wasser-, Luft- und Bodenproben. In den Laboren werden viele GC/MS-Systeme eingesetzt und jedes System verfügt über eine eigene Vorvakuumversorgung.

Die große Zahl ölgeschmierter Vorpumpen führte zu folgenden Herausforderungen:

• Sie erhöhten den Geräuschpegel im Labor.
• Die von den Pumpen erzeugte Abwärme musste durch die Klimaanlage abgeführt werden, was zusätzliche Kosten verursachte.
• Jede einzelne Pumpe benötigte eine regelmäßige Wartung.
• Der Energieverbrauch der Pumpen summierte sich erheblich
• Es bestand die Gefahr der Rückströmung von Öldämpfen (Kohlenwasserstoffen).

Die Ausgangskonfiguration zeigte Optimierungspotenzial. Daher wurden zehn ölgeschmierte Drehschieberpumpen durch zwei Scroll-Vakuumpumpen ersetzt. Berechnungen des erwarteten Gasdurchsatzes bestätigten, dass eine HiScroll 18 alle zehn Massenspektrometer versorgen kann. Die zweite Pumpe stellt Redundanz für Ausfall oder Wartung bereit. Abbildung 2 zeigt das optimierte Vakuumschema im Labor in vereinfachter Form.

Jede HiScroll (1) versorgt fünf GC/MS-Systeme (5) mit Vorvakuum. Die beiden Vorvakuumleitungen sind über ein steuerbares Eckventil (3) verbunden. Der Controller (OmniControl, 2) öffnet das Ventil bei Pumpenausfall. Diese Anordnung stellt bei Wartung oder Ausfall sicher, dass alle zehn GC/MS-Systeme weiterhin Vorvakuum erhalten. Für die Wartung der Instrumente wurden manuelle Ventile (4) installiert.

Der pumpenbezogene Stromverbrauch sank um 60-70 %. Zusätzlich sank der Bedarf an Klimatisierung, da die Wärmeabgabe durch weniger aktive Pumpen sank. Die Ölentsorgung entfiel und die Arbeitsumgebung wurde durch geringere Geräuschpegel verbessert.

Zusammenfassung

Vakuumsysteme sind essenzielle Laborinfrastruktur. Sie beeinflussen analytische Stabilität, Anlagenverfügbarkeit, Energieverbrauch, Kontaminationsrisiko und Arbeitsbedingungen. Häufig werden Vorvakuumsysteme pro Instrument ausgelegt statt für den Gesamtaufbau. Das kann Effizienz und Betriebsstabilität verringern. Wichtige Optimierungsmaßnahmen sind abgestimmte Pumpstufen, definierter Vorvakuumdruck, zentrale Vakuumversorgung und Redundanz. Der Fall der Eurofins Umwelt West GmbH veranschaulicht dies: Zehn Drehschieberpumpen an GC/MS-Systemen wurden durch zwei Scrollpumpen in redundanter Konfiguration ersetzt. Dadurch sanken der pumpenbezogene Stromverbrauch um 60–70 %, der Klimatisierungsbedarf und der Wartungsaufwand. Zudem entfiel die Ölentsorgung, und die Arbeitsbedingungen verbesserten sich. Zentrale Lösungen sind nicht immer erforderlich, können aber bei mehreren Instrumenten Vorteile bieten. Die Vakuumarchitektur sollte daher im Laborbetrieb als strategischer Auslegungsparameter betrachtet werden.