Öl- und keimfreie Druckluft - Ursachen, Probleme und Lösungen

In vielen Produktionsstätten kommt Druckluft direkt oder indirekt mit Produktionsanlagen, Produkten oder Verpackungsmaterialien in Berührung. Kontaminationen durch Restölgehalte, Mikroorganismen und Keime haben dann erhebliche Folgen für die Produktqualität, die Verbrauchersicherheit und den Markenruf.

Stiftung Warentest meldet Mineralöle in Schokolade, Foodwatch prangert Gefahren von Essensverpackungen an. Meldungen über Verunreinigungen und Mängel in der Qualität des Endprodukts wie diese kennen wir alle.  Auch die Folgen kennen wir: Verunsicherung bei Kunden und Handel, Pressewirbel und unsachliche Diskussionen und nicht zuletzt erhebliche Reputationsschäden.

Die Anwendung von Druckluft in Bereichen mit dem Potential gesundheitlicher Schädigungen an Menschen durch Druckluft stellt besondere Anforderungen an die Druckluftreinheit. Diese hat daher in einen besonders hohen Stellenwert.

Wie kommen ölhaltige Verunreinigungen in die Druckluft?

Es gibt viele verschiedene Einfallstore für Verunreinigungen wie Partikel, Öl, Keime und Feuchtigkeit in der Druckluft. Häufig sind diese schon in der Umgebungsluft vorhanden und gelangen durch die Ansaugluft des Kompressors ins Druckluftsystem. Grund für Verunreinigungen kann beispielsweise eine nahegelegene große Straße oder Baustelle sein. Das Risiko des Einfalls von Feuchtigkeit ins Druckluftnetz steigt mit der Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft.

Die Verunreinigungen bergen ein doppeltes Risiko: Zum einen können sie die Funktion der Druckluftanlage beeinträchtigen und zum vorzeitigen Verschleiß von Anlagekomponenten führen, zum anderen stellen sie ein reales Risiko für die Qualität des Endproduktes und somit den Verbraucher dar.

UMWELT

Je nach direkter Umgebung und individuellen Gegebenheiten bestehen zusätzliche Gefahren: Neben Staub und Feuchtigkeit können durch die Umgebungsluft auch Öl und Mikroorganismen ins Druckluftnetz geraten.


KOMPRESSOR

Nicht nur ölgeschmierte, auch ölfreie Kompressoren (Ansaugluft!) können eine Quelle für Restöldämpfe im Druckluftnetz sein.


ARMATUREN

Ventile, Fittings und Armaturen. Viele Komponenten im Druckluftnetz werden zur besseren Funktion mit Fetten oder Silikonen geschmiert. Diese können leicht in die Druckluft gelangen.


ROHRLEITUNG

Einmal kontaminiert besteht ein ständiges Risiko: Über die Jahre bilden sich in bestehenden Rohrnetzen Ablagerungen, die die durchströmende Druckluft beeinflussen können.


Probleme durch Öleintrag

Weniger breite Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit als die oben genannten Probleme finden die durch Öldurchbruch entstandenen mangelhaften Produktqualitäten, Maschinenschäden, Ausschüsse, Nacharbeiten und Rückrufaktionen von Industriegütern. Dafür erzeugen sie aber hohe finanzielle Schäden - besonders in folgenden Branchen und Anwendungen:

Pharmazeutik und Labortechnik

Bei der Herstellung von Arzneimitteln gelten strengste Hygienemaßstäbe. Deshalb ist es wichtig, dass die Produktion in einer Umgebung stattfindet, die frei von Keimen, Partikeln, Bakterien und kontaminierenden Ölen ist. Neben dem Einsatz in Krankenhäusern wird Druckluft vermehrt in Laboren genutzt. Damit in diesen hochsensiblen Umgebungen die Gefahr von Bakterienwachstum ausgeschlossen wird, muss Druckluft absolut keimfrei und trocken sein.

Lebensmittelindustrie und Verpackungsindustrie

Diese Verunreinigungen müssen auch hier entfernt oder reduziert werden. Dieses geschieht, um den Verbraucher zu schützen und eine sichere und kosteneffiziente Produktion zu gewährleisten. Beim Verpacken und Abfüllen von Produkten muss der Zustand des Endproduktes unverändert bleiben. Insbesondere Getränke und Lebensmittel müssen schonend behandelt werden und es darf zu keiner Kontaminierung (direkt oder indirekt) kommen.

Direkter Kontakt: Die Druckluft kommt direkt mit dem Produkt oder Verpackungsmaterial in Berührung oder gelangt in die Atemwege bzw. an von durch Haut ungeschützte innere oder äußere Stellen (z.B. bei Verletzungen).

Indirekter Kontakt: Die Druckluft wird in einer Anwendung an die Umgebungsluft abgegeben. Die expandierte Druckluft erreicht ein Objekt nur über eine entsprechende Distanz und in mit normaler Umgebungsluft verdünnter Form.

 

Die primären Gefahrenpotentiale sind:

  • Kontamination des Produktes mit verunreinigtem Wasser (Kondensat)
  • Kontamination des Produktes mit flüssigem Öl (Kompressor-Öl)
  • Kontamination des Produktes mit Öldampf bzw. allgemein gasförmigen Kohlenwasserstoffen und somit unerwünschten Geschmacksstoffen
  • Kontamination des Produktes mit unerwünschten metallischen bzw. nicht-metallischen Feststoffpartikeln aus dem Druckluftsystem, z.B. Rost, Korrosionspartikel, Abrieb, Dichtungsmaterial sowie sonstige sich lösende Ablagerungen
  • Kontamination des Produktes mit unerwünschten Mikroorganismen

 

Lackierungen

Partikel, Öl-Aerosol und -Dampf, silikonhaltige Stoffe sowie Kondensat sind die Hauptursachen für Fehler in der Lackiererei. Die Anwendung von Druckluft in der Lackiertechnik, stellt Anforderungen an die Druckluftreinheit, die sogar über die von der ISO 8573-1 definierten Klassen hinausgehen.

Farben und Lacke reagieren äußerst sensibel auf bestimmte Verunreinigungen in der Druckluft. Lackbenetzungsstörungen in Form von Kratern und Blasen sind die Folge, verbunden mit entsprechenden Nacharbeiten und somit finanziellem Mehraufwand. Die Druckluft muss lackverträglich sein, d.h. frei von lackbenetzungsstörenden Substanzen (dazu zählen: Graphit, Wachse, Metallseifen, Paraffine, Talkum, Teflon und Abrieb von Kunststoffen.

Lackverträgliche Druckluft ist erforderlich, wenn die Druckluft direkt oder indirekt mit noch nassen Farben oder Lacken bzw. zu lackierenden Oberflächen in Berührung kommt. Während der indirekte Kontakt durch Kabinen vermieden werden kann, ist der direkte Kontakt bei Lackierdüsen unvermeidbar.

Lackverträgliche Druckluft muss daher stets

  • trocken,
  • frei von flüssigen Verunreinigungen, Öl und Aerosolen,
  • frei von kondensationsfähigen Dampfphasen,
  • bis auf geringste Restmengen befreit von Stäuben und sonstigen Feststoffpartikeln sein.

Die in der Lackiertechnik gefürchteten Silikone können ähnlich wie auch Fette oder Öle in unterschiedlichen Phasen (fest, flüssig, gasförmig) in der Druckluft enthalten sein. Silikonhaltige Verunreinigungen können mit entsprechenden Filtern entfernt werden. Gasförmige und somit flüchtige Silikonverbindungen können jedoch ausschließlich durch eine katalytische Oxidation aus der Druckluft entfernt werden. Zur Erzeugung lackverträglicher Druckluft ist daher der Einsatz mindestens eines katalytischen Konverters zwingend erforderlich.

Chemische Industrie

Wenn es bei der Verarbeitung von Rohstoffen (Pulver und Granulate) zu direktem Produktkontakt kommt muss die Druckluft absolut trocken und ölfrei sein. Nur so können Verunreinigungen und die Bildung von Agglomeraten ausgeschlossen werden. Zur Gewährleistung der Prozesssicherheit, ist sowohl ein permanentes Monitoring als auch eine lückenlose Dokumentation der Druckluftqualität unabdingbar.

Elektronik

Die Produktion bei der Chipherstellung muss unter Reinraumbedingungen stattfinden, d.h. die Druckluftqualität muss diesen Anforderungen angepasst werden.  Ein weiteres Einsatzgebiet für die Druckluft ist das Auftragen der Lötpaste auf die Leiterplatten sowie die Reinigung der Leiterplatten, Platinen und Wafern. Die eingesetzte Druckluft muss hier frei von Partikeln, Öl und Feuchtigkeit sein.

Erzeugung von ölfreier Druckluft

Im Prinzip gibt es drei Wege zur ölfreien Druckluft. Bei der Planung sind die speziellen Anforderungen genau zu betrachten. Dies beginnt bereits mit Frage ob ölfreie Druckluft bereits zentral verfügbar sein muss oder ob dezentral aufbereitet wird, da nur ein Teilstrom besonders hohe Anforderungen stellt.

1 - Aufbereitung durch Katalyse

Mit einem Katalysator kann nicht nur ölfreie sondern auch keim- und bakterienfreie Druckluft auf umweltfreundliche Art hergestellt werden. Dieses von Ansaugbedingungen unabhängige Verfahren bietet im Gegensatz zum Verfahren der Filterung deutlich höhere Sicherheit bei gleichzeitig geringeren Wartungsaufwand. Dies ist die innovativste Methode und kann auch als Nachrüstung hinter ölgeschmierten Kompressoren geschaltet werden.

Ölhaltige Druckluft wird in den katalytischen Konverter geleitet. Dort werden in einem einzigen Verfahrensschritt Kohlenwasserstoffe in der Druckluft in Kohlendioxid und Wasser zerlegt. Die für die chemische Zerlegung notwendige Wärmeenergie bietet eine effektive Überwachungsmöglichkeit. Kommt es vor dem Konverter zu einem Öldurchbruch in die Druckluftleitung, steigt die Temperatur stark an, worauf ein Magnetventil den Ausgang schließt. Ein Übertrag von Öl in die nachgeschaltete Druckluftleitung ist so effektiv ausgeschlossen. Auch ein Ölaustrag durch eine zu geringe Temperatur wird durch die integrierte Temperaturüberwachung ausgeschlossen.

Dieses Verfahren verwirklicht dauerhaft ölfreie Druckluft mit einem kaum mehr messbaren maximalen Restölgehalt von 0,001 Milligramm pro Kubikmeter und übertrifft damit die Anforderungen der Druckluftklassen 0-1 nach ISO 8573-1. Das durch Abkühlung der Druckluft entstehende Kondensat ist absolut ölfrei und kann ohne Aufbereitung in die Kanalisation eingeleitet werden. Zu beachten ist bei einem 24/7 Betrieb, dass ein Bypass oder redundantes System dringend erforderlich ist.

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2 - Aufbereitung durch Adsorption

Technisch ölfreie Druckluft enthält immer noch Kohlenwasserstoffe, sowie diverse Geruchs- und Geschmacksstoffe, die zu Qualitätsbeeinträchtigungen und Geruchsbelästigungen führen würden. Kleinere Teilvolumen können mit Mikrofiltern oder Aktivkohlefiltern aufbereitet werden. Bei größeren Volumen wird mit Aktivkohleadsorbern aufbereitet. Ein Filter kann immer nur Öltröpfchen aber ein Aktivkohle-Adsorber auch Kohlenwasserstoffdämpfe aus der Druckluft entfernen.

Um auch das dampfförmige Restöl zu entfernen, wird Aktivkohle eingesetzt. Die Reinigung der Druckluft durch Adsorption ist ein rein physikalischer Vorgang. Durch die Adhäsionskräfte der Oberfläche der Aktivkohle werden Ölmoleküle gebunden und die Druckluft gereinigt. Dabei kommt es zu keiner chemischen Verbindung. Die Qualität der Aktivkohle ist nicht augenfällig aber von entscheidender Bedeutung, denn Aktivkohle leistet Schwerarbeit. Unterschiede werden erst spürbar, wenn die Nutzungsdauer nicht den Erwartungen entspricht. Damit sich die unerwünschten Schadstoffe in der Aktivkohle anlagern können ist eine große Innenoberfläche und ein sehr feines Porensystem erforderlich.

Mit einem Diffusor wird die Druckluft durch ein locker aufgeschüttetes Aktivkohlebett geleitet. Dies macht lange Kontaktzeiten und eine optimale Ausnutzung des Adsorptionsmittels möglich. Die Aktivkohle wird auf Dauer gesättigt und kann nicht weiter reinigen. Dann steigt der Restölgehalt in der Druckluft wieder an, denn Aktivkohle ist ein nicht regenerierbares Verbrauchsmaterial und muss nach einem bestimmten Zeitraum ausgetauscht werden. Werden die Filter regelmäßig gewartet, verbleibt lediglich ein geringer Restölgehalt in der Druckluft welcher den Anforderungen der Druckluftklassen 1-2 nach ISO 8573-1 entspricht.

Einem Aktivkohle-Adsorber muss immer ein Hochleistungsfilter und ein Trockner zur Vorfilterung vorgeschaltet sein da die Druckluft Kohlenstaubpartikel aus dem Aktivkohlebett mitreisst. Sind diese Voraussetzungen gegeben, dann schützt ein Aktivkohleadsorber Ihr System vor Öleintrag und zeichnet sich gleichzeitig durch einen geringen Differenzdruck und lange Standzeiten aus.

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3 - Ölfreie Kompressoren

Dies ist der direkte Weg zusätzliche Kontamination der Druckluft mit Öl durch den Kompressor zu vermeiden. Druckluft wird mit ölfreien Kolben- oder Schraubenkompressoren erzeugt, ohne dass die Druckluft mit flüssigen oder dampfförmigen Ölen in Kontakt kommt, weil der Verdichtungsraum nicht geschmiert wird und Schraubenpaare ohne gegenseitige Berührung laufen. Die so hergestellte Druckluft wird oft als „technisch ölfrei“ bezeichnet. Möglich ist dies nur durch perfekte Abdichtung und höchste Präzision. Damit gehen hohe Investitionskosten und begrenzter Betriebsdruck einher.

Bietet ein ölfrei verdichtender Kompressor volle Sicherheit?
Zwar gelangt durch einen ölfrei verdichtenden Kompressor kein zusätzliches Öl in das Druckluftnetz, da Verunreinigungen (wie z.B. Verbrennungsabgase aus dem Straßenverkehr oder Heizungsanlagen, Öl-Aerosole und Mikroorganismen) aber auch schon in der Ansaugluft enthalten sind und nach dem Kompressor in aufkonzentrierter Form vorliegen, muss die Druckluft in jedem Fall aufbereitet werden. Oft verbleibt noch ein Ölgehalt über 0,01 mg pro Kubikmeter und entspricht damit der Klasse 2 und evtl. noch schlechter.

Vergleich der Kompressorenbauarten
Kompressorenbauart Restölgehalt am Druckluftaustritt Öleintrag ins Netz bei Volumenstrom 1000 m³/h
Kolbenkompressor, ölgeschmiert 10 - 180 mg/m³ 240 - 4320 g
Lamellenkompressor, ölgeschmiert 1 - 180 mg/m³ 24 - 4320 g
Schraubenkompressor, öleinspritzgekühlt 1 - 20 mg/m³ 24 - 480 g
Kompressor ölfrei verdichtend 0 - 3 mg/m³ 0 – 72 g
Ansaugtemperatur 20° C, Ansaugdruck 1 bar (a), Lastzeit 24 h/d  (Quelle VDMA Einheitsblatt 15390-1: 2014-12) .

Sicherheitsmaximum durch Restölüberwachung

Hersteller, die sich bei kritischen Druckluftanwendungen an Richtlinien wie die GMP halten und eine Gefahren- und Risikobewertung durchführen, haben wichtige Voraussetzungen für eine sichere Druckluftanwendung geschaffen. Wer seine Druckluftqualität 24/7 online überwacht, ist noch einen Schritt weiter. Qualitätssicherungskonzepte wie HACCP erfordern eine maximale Kontrollierbarkeit selbst extremer Grenzwerte von 0,001 mg/m³ des Öldampfgehalts in der Druckluft. Eine online Dauerüberwachung ermöglicht der METPOINT OCV.

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Intelligente Druckluftaufbereitung erfordert Expertise

In der Praxis ist das Thema Druckluft für Produktionsleiter und Qualitätsmanager häufig ein kritischer Punkt. Denn die Anforderungen sind in den Richtlinien teilweise unklar formuliert, oder die Auswirkungen auf die gesamte Anlage werden nicht genügend abgebildet. Für die Feststellung der erforderlichen Druckluftqualitätsklasse und für die passende, das heißt sichere und energieeffiziente Auslegung der Druckluftaufbereitung, sind detaillierte Kenntnisse erforderlich.

Anlagenoptimierung und Air Audit…