Berechnung des Zeitintervalls Sterilisiertunnel

Hi,
ich schreibe meine Masterarbeit über die Wärmeübertragung in einem Sterilisiertunnel.Dabei wird warme Luft von oben nach unten auf Glasvials geleitet,diese erhitzen sich und werden sterilisiert.
Die Vials haben eine gewisse starttemperatur und sollen dann auf eine endtemperatur erhitzt werden.

Alpha kann ich durch: alpha=Q/(A*delta T*delta t) berechnen.Wobei ich für Q=Cp*m*delta T errechne.
Mein Problem ist: Wenn ich Q in die alpha Gleichung einsetzte,kürzt sich mein delta T heraus und das sollte es ja nicht,weil dann in der Gleichung die Starttemperatur verloren geht.

Zweites Problem: Die Fläche A steht unter dem Bruchstrich,d.h. bei einer größeren Fläche verkürzt sich die Zeit die ich benötige um die Glasvials zusterilisieren bzw. um die endtemperatur zu erreichen(unlogisch)

hat jemand eine antwort dazu?
Bitte keine antworten wie:

  • die antwort ist 42
  • schon mal gegoogelt
  • weiß ich nicht

danke,viele grüße
jens

hallo,
das sollte dir aber nicht passieren, wenn du dich bis zur Masterarbeit durchgearbeitet hast. Du musst dich offenbar erst einmal mit den Grundlagen der Wärmeübertragung befassen, dann versuche, das Alpha mit den geeigneten Gleichungen,Tabellen bzw Diagrammen aus dem VDI-Wärmeatlas zu bestimmen und schließlich denke daran, dass es sich hier um einen dynamischen Vorgang handelt, den du mit einer einfachen Gleichung nicht berechnen kannst!

  1. sind deine delta Ts unterschiedlich. In deiner ersten Gleichung ist das der unterschied zwischen Lufttemperatur und Glastemperatur. In der zweiten Gleichung ist es die Temperatur des Glases bei zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (musst du passend zu delta t waehlen).

  2. in deinem m steckt das Volumen als prudukt mit der dichte des Glases (m = rho*V). Nehmen wir mal vereinfacht an das du eine Plate haettest (nur zur Veranschaulichung) dann kuerzt sich die Flaeche raus und spieltkeine Rolle, da du ueberall eine homogene Temperaturveteilung, Stroemungsverhaeltnisse, etc. annimmst.

Gruss

Tom

Hallo Jens,

Die Formel dq = A * alpha * dT beschreibt den Wärmestrom in der Zeiteinheit, der mit der Fläche A linear wächst. Die Wärmemenge ist dann dQ = A * alpha * dT * dt. Bleiben das zu erwärmende Gasvolumen und der Druck gleich, wird die gewünschte Temperatur bei einem größeren A schneller erreicht. Der Wert für alpha ist abhängig von der Form, dem Material, der Wandstärke, den Strömungsverhältnissen und dem Zustand der Gase beim Wärmeübwergang. In der Literatur findet man dazu für viele Vorgänge die passenden Werte. Wärmeübergänge in den Grenzschichten sind zu berücksichtigen.
In der Thermodynamik errechnet man die übertragene Wärmemenge bei konstantem Druck wie folgt: dQ = cp * dT. In der Literatur findet man cpm-Werte für bestimmte Temperaturbereiche.
Näheres unter

http://docs.google.com/Doc?docid=0AfBRewZ-3tayZDR0Z3…

Mit freundlichem Gruß

Helmut Börjes

ich schreibe meine Masterarbeit über die Wärmeübertragung in
einem Sterilisiertunnel.Dabei wird warme Luft von oben nach
unten auf Glasvials geleitet,diese erhitzen sich und werden
sterilisiert.
Die Vials haben eine gewisse starttemperatur und sollen dann
auf eine endtemperatur erhitzt werden.

Alpha kann ich durch: alpha=Q/(A*delta T*delta t)
berechnen.Wobei ich für Q=Cp*m*delta T errechne.
Mein Problem ist: Wenn ich Q in die alpha Gleichung
einsetzte,kürzt sich mein delta T heraus und das sollte es ja
nicht,weil dann in der Gleichung die Starttemperatur verloren
geht.

Zweites Problem: Die Fläche A steht unter dem Bruchstrich,d.h.
bei einer größeren Fläche verkürzt sich die Zeit die ich
benötige um die Glasvials zusterilisieren bzw. um die
endtemperatur zu erreichen(unlogisch)

Hi Jens,

gleich vorweg - deine Frage kann ich zwar nicht beantworten, aber:

ich bin Validierungskoordinator in einem der größten Pharmakonzerne der Welt und in meinen Verantwortungsbereich fallen gleich zwei Sterilisiertunnel.
Allerdings verwenden wir diese Tunnel nicht zum sterilisieren, das ist nur ein angenehmer Nebeneffekt. Uns geht es um die Entpyrogenisierung, also um die Abreicherung von Pyrogenen, da die betreffenden Produkte intravenös verabreichht werden.
Was ich in deiner Frage und Gleichung vermisse ist die Bandgeschwindigkeit, denn Tunnel werden ja hauptsächlich deswegen verwendet, weil man damit sozusagen Online arbeiten kann. Bei uns kommen die Flaschen von einer Flaschenwaschmaschine und laufen durch den Tunnel direkt in eine Abfüllkoje (Limitklasse 2 plus Laminar Flow), wo sie direkt befüllt und dann verbördelt werden. Um die Limitklasse nicht zu gefährden, herrscht in der Koje ein Überdruck von ca. 25 Pa, weshalb also ständig Luft mit ca. 22°C entgegen der Transportrichtung des Tunnels in den Waschbereich strömt.
Unsere Validierungsparameter sind 320°C für 6 Minuten, das reicht, um in jedem Fall eine Abreicherung von mindestens 6 Logstufen sicherzustellen.

Wieso kommt die Bandgeschwindigkeit, die sich ja proportional auf die erreichten F-Werte auswirkt, in deinen Betrachtungen nicht vor oder wird das durch delta t dargestellt?

Übrigens erreichen wir die Temperaturwerte durch die Verwendung von Quartzstrahlern, also durch Konvektionswärme, nicht durch ein Umluftverfahren.
Beim Heißluftverfahren würde die heiße Luft in den Waschbereich strömen und die Belüftungsanlage überfordern.

Wie schon gesagt, leider keine Antwort auf deine Frage, aber wenn ich dir sonstwie hefen kann, melde dich gerne wieder.

lG, Peter

Hallo,

erstmal vorne weg, es macht sehr wohl Sinn, dass sich bei größerer Fläche die Zeit verkürzt, denn auf die gleiche Masse bezogen kann natürlich mit mehr Fläche mehr Wärme übertragen werden.

Allerdings ist dein Ansatz um den Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen nicht der richtige. Du könntest natürlich alpha = Q / (A*delta T*delta t) verwenden um über experimentelle Daten, wie Ausgangstemperatur, Endtemperatur, Zeit, übertragende Wärmemenge, deinen Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen.

Wenn du ihn abschätzen möchtest, gibt es den Zusammenhang mit der Nusselt-Zahl. Für quer angeströmte Rohr wäre ein möglicher Zusammenhang Nu = 0,41 · Re^0,60· Pr^0,33 - Dabei stecken nun in der Reynolds-Zahl deine Strömungsbedingungen und in der Prandtl-Zahl deine Stoffwerte. Mit berechneter Nusselt-Zahl lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient über den Zusammenhang Nu = (alpha * L) / Lambda_Fluid bestimmen.

Ich hoffe ich habe deine Frage richtig verstanden und konnte dir weiterhelfen.

Beste Grüße
Patrick Preuster

Hallo Jens,

da ich das Wort Vials nicht kenne, werde ich es im Folgenden durch das Wort Teile ersetzen. Glasvials sind somit für mich hier Glasteile.

Zum 2. Absatz: Der Wärmeübergangswert alpha ist nicht ABHÄNGIG von der Wärmemenge Q oder der Wärmeübertragungsfläche A, sondern er BESTIMMT bei turbulenter Strömung entweder die Fläche oder (bei konstanter Fläche) die übertragene Wärmemenge. Deine Darstellung der Gleichung ist hier unzulässig bzw. führt zu nichts, wie du ja schon feststellen musstest. Hiermit lässt sich alpha nur aus bestätigten Messwerten rückrechnen.

Alpha ist abhängig von den vier physikalischen Werten des strömenden Mediums wie Dichte, spez. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit (bei jeweils mittlerer Temperatur) sowie von der Strömungsgeschwindigkeit und der Topographie (Rauhigkeit, Welligkeit) der Wärmeübertragungsfläche.

In der einschlägigen Literatur gibt es für alpha Richtwerte zu den verschiedensten Bedingungen. Dort kann man sich den Wert suchen, der am besten zu der gegebenen Problemstellung passt und dann damit erste Berechnungen durchführen.

Zu deinem zweiten Problem: Wenn sich die Fläche A vergrößert, hat das nix mit der Zeit zu tun, sondern alpha wird kleiner. Und das ist ja logisch! Denn wenn der Wärmeübergang kleiner (schlechter) wird, muss die Fläche ja größer werden.

Auch ohne das Wort Glasteile zu benutzen, hoffe ich doch, dass die Antwort hilfreich war.

Gruß
Pat

Hi,
Gl. I) habe ich von dir übernommen. Hier ist die Einheit allerdings Watt! Bei Gl. II (auch von dir übernommen) ist die Einheit Joule!
I) Q. [Watt] = alpha * A * (T_Luft - T_Vial)

meiner Ansicht nach ist der folgende Rechenweg korrekt:

Ia) Q [Joule] = alpha * A * (T_Luft - T_Vial) * t
II) Q [Joule] = mVial * cpVial * (T_Vial_Ende - T_Vial_Start)

Ia und II gleichgesetzt:
mVial * cpVial * (T_Vial_Ende - T_Vial_Start) = alpha * A * (T_Luft - T_Vial) * t

nach alpha umgestellt:
alpha = mVial * cpVial * (T_Vial_Ende - T_Vial_Start) / (A * (T_Luft - T_Vial) * t)

Mit der Annahme, dass T_Luft konstant ist, hast du nun eine Gleichung für alpha, die von der aktuellen Temperatur des Vial (T_Vial) abhängt.

Zweites Problem: Die Fläche A steht unter dem Bruchstrich,d.h.
bei einer größeren Fläche verkürzt sich die Zeit die ich
benötige um die Glasvials zusterilisieren bzw. um die
endtemperatur zu erreichen(unlogisch)

Nein, nicht die Zeit verkürzt sich, sondern der Wärmeübergangskoeffizient ändert sich u.U.
Größere Fläche A => kleineres alpha
Da jedoch, bei Erhöhung der charaktersitischen Fläche A weniger Zeit benötigt wird um die Vials zu erwärmen vermute ich, dass sich die Fläche A und Zeit t antiproportional verhalten und somit der alpha Wert annähernd konstant bleibt.

Grüße,
Olli87

Hallo Jens,
ich würde die Aufgabe so angehen, als ob ein kleiner Körper in ein großes Fluidbecken taucht. Für den Wärmeausgleichsvorgang ergibt sich:

theta(Vial)-theta(Tunnelluft)/theta(Vial,Anfang)-theta(Tunnelluft)= e^-t((alpha x A(vial))/(M(vial)*c(vial))

mit:
alpha - Wärmeübergangskoeffizient
A - Oberfläche des Vial
M - Masse des Vial
c - spez. Wärmekapazität des Vial
t - Durchlaufzeit durch den Tunnel

Die Bestimmung von alpha ist nun noch relativ aufwendig, da Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion den Wärmeübergang bestimmen.

Gruß
Udo Mai

Hi,
zu 1) du hast Recht wenn die warme Luft auf die Glasvials trifft,muss man zwei verschiedene delta T´s betrachten.Bei meiner Berechnung habe angenommen das z.B. die warme Luft 300°C besitzt und die Glasvials auf genau diese Temperatur erhitzt werden sollen.(gleiche delta T´s) Anders wäre es wenn die Vials nur auf 200°C erhitzt werden sollen.
Im Heißlufttunnel wird eine Temp. von 300°C(Luft) eingestellt und die Vials sollen eine temperatur von 250°C oder höher über 2min lang halten.

zu2: Bei einer größeren Oberfläche wird auch die Masse zunehmen und sich dies wahrscheinlich ausgleichen.

Hi Peter,
mit Sterilisieren meine ich die Endotoxin-inaktivierung oder Entpyrogenisierung der Vials.
Die Bandgeschwindigkeit habe ich nicht berücksichtigt, weil die o.g. Formeln nur für den stationären Prozess der Wärmeübertragung gelten.Da die Vials kontinuierlich auf dem Fördeband durch den Tunnel fahren,kann man diese vielleicht gar nicht verwenden.
Die Bandgeschwindigkeit benötigen wir nur um sicher zugehen/zuberechnen,dass die Vials die geforderte 3log Reduzierung erfahren,d.h. in unserem Tunnel müssen sie 2min oder mehr(es sind in der Praxis ca. 6min) eine Temp. von 250°C oder mehr erfahren.
Die Heißluft kann nicht in die Sterilzone gelagen,weil die Querströmung auf Grund des Druckgefälles von 37,5 Pa auf 12,5, entgegen wirkt.
Was mich jetzt aber sehr interessieren würde,ist die Firma für die du arbeitest und welches Modell ihr von BOSCH oder B&S verwendet?

lg jens

mit Sterilisieren meine ich die Endotoxin-inaktivierung oder
Entpyrogenisierung der Vials.

OK, aber dann solltest du das auch so beschreiben, denn dir ist schon klar, das das höchst unterschiedliche Dinge sind?

Die Bandgeschwindigkeit habe ich nicht berücksichtigt, weil
die o.g. Formeln nur für den stationären Prozess der
Wärmeübertragung gelten.Da die Vials kontinuierlich auf dem
Fördeband durch den Tunnel fahren,kann man diese vielleicht
gar nicht verwenden.
Die Bandgeschwindigkeit benötigen wir nur um sicher
zugehen/zuberechnen,dass die Vials die geforderte 3log
Reduzierung erfahren,d.h. in unserem Tunnel müssen sie 2min
oder mehr(es sind in der Praxis ca. 6min) eine Temp. von 250°C
oder mehr erfahren.

Man muss bei diesem Prozess zwei Dinge getrennt voneinander betrachten, obwohl sie unmittelbar miteinander zu tun haben:

  1. die geforderte 3Log Reduktion, welche sich ausnahmslos mittels LAL-gespikten Vials und deren Analytik nach der Behandlung beweisen läßt.

  2. die geforderte Verweilzeit von mind. 6 Minuten bei mind. 250°C, welche sich ebenfalls ausnahmslos nur mittels Daten (=Meßwerte) nachweisen lässt.

Die Einhaltung beider Akzeptanzkriterien ist gem. Behörde jährlich im Zuge einer Revalidierung (bei uns Routinetest) unter Produktionsbedingungen zu wiederholen.

Zu Punkt 1 ist nur zu sagen, daß lt. Behörde mindestens 4 Vials, gleichmäßig verteilt, je Betriebszustand (Anfahren, Normalbetrieb, Leefahren) des Tunnesl zu verwenden sind - macht 12 Vials. Die Behörde akzeptiert auch eine Prozessaufteilung in vier Betriebszustände, wobei dann jeweils mind. 3 Vials ebenfalls gleichmäßig verteilt, zu verwenden sind.
Wir verwenden bei bestehenden Anlagen 3 Vials und ebensoviele Meßfühler (in einer Reihe, Links-Mitte-Rechts).
Neuanlagen werden natürlich mit 12 Vials qualifiziert.

Zu Punkt 2 ist anzumerken, daß wir nach vielen Versuchen, mit teilweise modernster Technik - wie z.B. der Verwendung von Dataloggern und Funksendern - reumütig zu einer alten, aber trotzdem äußerst verläßlichen Technik zurückgekehrt sind.
Bei der Schleppmessung wird unmittelbar neben jedem gespikten Vial ein Meßfühler (Kapton-Isolierung) in einem Nachbarvial plaziert und von der Anlage mitgeschleppt. Das ist ein äußerst heikler Vorgang, der ununterbrochen beobachtet werden muss und wobei die Meßleitungen niemals unter Zugspannung geraten dürfen. Uns reichen dazu 15 Meter Leitungen. Ist die letzte Fühlerreihe aus dem Behandlungsbereich ausgetreten, können die gespikten Vials mit sterilen Stopfen versehen werden und die Fühler vorsichtig zurückgezogen werden.
Bei erfahrenen Validierern geht das in der Regel gut. In 10 Jahren ist mir nur einmal ein Fühler im Transporband hängen geblieben - Anlage zerlegen und Lauf wiederholen. Ein Abstecken der Fühler ist nicht legal, da dabei die Meßstrecke geöffnet und somit die Postkalibrierung wertlos wird.
Wie haben zwar Sensoren, deren Kalibrier- und Justagewerte in den Steckern selbst gespeichert werden, die halten aber die hohen Temperaturen nicht aus.

Die Heißluft kann nicht in die Sterilzone gelagen,weil die
Querströmung auf Grund des Druckgefälles von 37,5 Pa auf 12,5,
entgegen wirkt.

Das stimmt natürlich, aber was ist mit dem Tunneleinlauf, wie verhindert man dort ein Ausströmen der Heißluft?

Was mich jetzt aber sehr interessieren würde,ist die Firma für
die du arbeitest und welches Modell ihr von BOSCH oder B&S
verwendet?

Gott, die Modellnummern weiß ich jetzt nicht auswendig, immerhin betreuen wir zu viert etwa 120 validierungsfplichtige Anlagen und in die Betriebsstätte wird laufen investiert. Jedenfalls sind es Anlagen von B&S, die beide mindestens 30 Jahre alt sind. Tatsächlich gehören diese Anlagen zu den robustesten überhaupt und verursachen nur geringen Aufwand - regelmäßige Wartung und genaue Anlagenkenntniss vorausgesetzt.

Der Firmenname tut doch nichts zur Sache, diskutieren können wir aber über vieles. Was die Konzerngröße betrifft, hab ich nicht übertrieben.

Würd mich freuen, wieder von dir zu hören,

liebe Grüße, Peter