Filterelemente, das Herz der Entstauber – was sie ausmacht und wie sie funktionieren

In der Produktion der Pharma- und Chemie-Industrie treten immer wieder Stäube auf. Da dies nicht erwünscht ist, müssen Maßnahmen ergriffen werden, das Auftreten dieser Stäube zu unterbinden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Filteranlagen, sogenannten Entstaubern. In diesen Anlagen wird der Staub aus der Luft abgeschieden und gesammelt.

Zu diesem Zweck sind die Filteranlagen mit Filterelementen ausgestattet, in deren Filtermedien oder auch Filtermatten, sich der Staub verfängt und vorm Weitertransport mit der Luft gehindert wird. Es gibt verschiedene Bauarten der Filter sowie verschiedene Materialien, aus denen Filter bestehen können.

Nachfolgend wird erläutert, wie das Prinzip der Filtration funktioniert, um zu verstehen, was bei der Auswahl der Materialien wichtig ist.

Kriterien, die die Auswahl des Filters beeinflussen

Die Auswahl der Anzahl, Art und der Materialien der Filterelemente – auch Filterzelle genannt – ist abhängig von der Beschaffenheit des zu filternden Stoffes sowie den Bedingungen, unter denen die Filtration stattfindet. Folgende Bedingungen sind zu beachten:

Volumenstrom [m³/h]:
 Der Volumenstrom beschreibt die Menge der Luft, die pro Stunde gefiltert werden soll. Da dem Filterelement hier bauartbedingt Grenzen gesetzt sind, muss bei steigendem Volumenstrom die Anzahl der Filterelemente erhöht werden.
Zusammensetzung des Mediums:
 Oft handelt es sich bei den Anwendungen um Luft, die mit Partikeln beladen ist. Es können aber auch weitere Gase und Stäube in dem Medium enthalten sein. Die Zusammensetzung des Mediums, das durch den Filter strömt, bestimmt dabei die Auswahl der Materialien des Filters, da die Substanzen untereinander verträglich sein müssen und nicht reagieren dürfen, um weitere Gefährdungen auszuschließen.
Temperatur der Luft [°C]:
 Die Temperatur der Luft, die durch die Filterzellen strömt, bestimmt – ebenso wie deren Zusammensetzung – die Materialien der Filter. Bei höherer Temperatur muss entsprechend hitzebeständiges Material eingesetzt werden, damit es nicht zum vorzeitigen Verschleiß oder gar zur Zerstörung der Filterzelle kommt.
Staubbeladung der Luft [mg/m³]: 
Die Staubbeladung gibt an, wieviel Staub bzw. wie viele Partikel sich in der zu filternden Luft befinden. Diese Menge bestimmt die Art des Filters. Ein Filterelement verfügt nur über eine gewisse Standzeit, d. h. Aufnahmefähigkeit des Staubs bis es zugesetzt ist. Je mehr Partikel sich in der Luft befinden, umso schneller setzt sich der Filter zu, seine Einsatzgrenze ist erreicht. Je nach Filterart kann der Filter entweder abgereinigt werden und ist somit wieder einsatzfähig oder muss – wenn das nicht geht – ausgetauscht werden.
Anforderungen aus dem Prozess:
 Aus dem Prozess heraus stellen sich folgende Fragen: 
- Was soll mit dem abgeschiedenen Stoff geschehen? 
Soll er einfach nur abgeschieden werden oder soll er wieder verwendet werden?
 - Wie soll die Filteranlage betrieben werden? Sind Stillstandzeiten wegen Servicetätigkeiten im  Prozess möglich oder muss die Filteranlage
kontinuierlich betrieben werden?
 - Gibt es Vorschriften, die aufgrund der Anwendungen zu beachten sind, z. B. ATEX?
- Gibt es Anforderungen bezüglich des Containments? 

Die Antworten sind wichtig für die Auswahl der Filterelemente, weil sie die Fähigkeit zur Abreinigung sowie die Anzahl der Filter oder die Art der Ausführung bestimmen.
-  Wenn Stoffe wieder verwertet werden sollen, muss die Filterzelle abreinigbar sein. Ist sie es nicht, verbleibt der Stoff im Filtermedium und wird zusammen mit der Filterzelle entsorgt.
- Soll die Filteranlage kontinuierlich genutzt werden, müssen zusätzliche Filter eingeplant werden,  damit sich der Volumenstrom während der Abreinigung entsprechend verteilen kann (während der Abreinigung ist die Filtration an dem Filter nicht möglich, weswegen der Volumenstrom auf  die anderen Filter verteilt wird). 
- Liegt eine explosionsfähige Atmosphäre vor und besteht die Gefahr von Explosionen, müssen die  Filterzelle und ihre Bestandteile geerdet sein, um elektrostatische Effekte zu verhindern. 
- Wenn es Anforderungen bezüglich der Luftreinheit gibt, müssen die Filtergruppen entsprechend der Filterklassen beachtet werden

Aufbau und Wirkungsweise einer Filterzelle

Um den Einfluss dieser Kriterien besser zu verstehen, muss das Wirkprinzip der Filterelemente bekannt sein.

Der Staub, bzw. die diversen darin enthaltenen Partikel, verfügen über unterschiedliche Eigenschaften, die entscheidend sind für die Effizienz der Filtration.

Neben diesen Eigenschaften des Staubs an sich – klebriger Staub z B. sorgt für das schnellere Zusetzen des Filtermediums während hingegen rieselfähiger Staub sehr gut zu filtern ist – muss auch die Beschaffenheit des einzelnen Partikels sowie der Filterzelle betrachtet werden.

Aufbau der Filterzelle

1	Filtermedium	4 Dichtung
2	Abstandhalter	5 Metallrahmen
3	Vergussmasse

Die Filterzelle besteht aus einem Rahmen, in dem sich das V-förmig gefaltete Filtermedium befindet. Die Luft strömt in die Filterzelle hinein. Durch die Faltung des Filtermediums muss die Luft durch das Material hindurch, um auf der anderen Seite des Filters entweichen zu können. Somit müssen auch die in der Luft enthaltenen Partikel durch das Filtermedium hindurch. Auf ihrem Weg interagieren sie mit den Fasern des Filtermediums und bleiben dort haften.

Effekte der Filtration

Um das Prinzip der Filtration – also des mechanischen Trennens von Stoffen aus Gasen – zu erläutern, muss der Blick von der Filterzelle als Ganzes zur Filterfaser im Speziellen gerichtet werden: hier wirken im Kleinen physikalische Effekte, die wichtig für das Resultat im Großen sind.
Die Partikel, die durch die Filterzelle strömen, folgen dem Luftstrom. Die Größe und Beschaffenheit dieser Partikel bestimmen, was im Inneren der Filterzelle – an den Filterfasern – geschieht.

Trägheitseffekt: ein Partikel mit großer Masse ist relativ träge. Strömt die Luft an der Filterfaser vorbei, kann dieser Partikel nicht folgen, trifft auf die Faser und bleibt haften.
Diffusion: ein Partikel von sehr kleiner Größe strömt zwar mit dem Luftstrom mit, folgt aber nicht den Stromlinien, sondern weicht davon ab. Während dieser Bewegungen kann es auf eine Faser oder andere Partikel treffen und dort haften bleiben. Die Ursache dieses diffusen Verhaltens liegt in den Brown’schen Molekularbewegungen.
Sperreffekt: ein Partikel von großer Größe folgt zwar dem Luftstrom auf den Stromlinien, ist aber zu groß, um den Filterfasern ausweichen zu können. Beim Umströmen trifft es aufgrund seiner Abmessungen auf die Filterfaser und bleibt dort haften.
Elektrostatische Anziehung  (Van-der-Waals-Kräfte): Durch die Bewegungen und damit verbundenen Reibung der Partikel können sich diese sowie auch die Filterfaser elektrostatisch aufladen. Ist die Ladung jeweils entgegengesetzt, wird der Partikel von der Filterfaser angezogen und bleibt dort haften.

Diese Effekte sorgen dafür, dass die Partikel aus der Luft im Medium der Filterzelle festgehalten werden. Wie gut das funktioniert wird durch den Wirkungsgrad, auch Abscheidegrad genannt, angegeben. Dieser zeigt an, wie viele Partikel in der Filterzelle verbleiben bzw. wie viele Partikel sich nach dem Durchströmen der Filterzelle weiterhin in der Abluft befinden. Der Abscheidegrad wird prozentual angegeben (Anzahl der abgeschiedenen Partikel bezogen auf die einströmenden Partikel).  Der Einfluss der verschiedenen Effekte auf den Abscheidegrad zeigt sich im folgenden Diagramm:

1	Diffusion	A	Abscheidegrad [%]
2	Sperreffekt	PM	Partikelgröße [µm]
3	Trägheitseffekt	MPPS	Partikel 0,1-0,3 µm  –> Minimum der Filtration

Da in der Luft Partikel verschiedenster Größe und Eigenschaften vorliegen, wirken die genannten Effekte in entsprechend unterschiedlicher Weise. Kleinste Partikel werden aufgrund der Diffusion abgeschieden. Größere Partikel verbleiben aufgrund des Trägheitseffekt oder des Sperreffekts in dem Filtermedium. Dazwischen gibt es Überlagerung der Effekte, die Einfluss auf den Abscheidegrad der Filterzelle haben.

 In dem beispielhaften Diagramm wird deutlich, dass bei einer bestimmten Partikelgröße ein Minimum an Filtration vorliegt. Dieser Tiefpunkt wird als „MPPS = Most Penetration Particle Size“ bezeichnet. Dieser Bereich liegt bei einer Partikelgröße zwischen 0,1 µm bis 0,3 µm vor und umfasst die Filtrationsleistung der Partikel, die erfahrungsgemäß am schwierigsten zu filtern sind. Aufgrund des Abscheidegrades an dieser Stelle erfolgt die Klassifizierung der Filterzelle. Mit Hilfe der Einteilung in verschiedene Stufen oder Klassen auf Grundlage verschiedener Normen kann die Filterzelle entsprechend beschrieben werden, so dass man sie den Containment-Anforderungen an den Prozess gegenüberstellen kann.

FAZIT:

Bei der Planung und Auslegung der Filteranlagen und vor allem der Filterelemente spielen die Kenntnisse der vorherrschenden Bedingungen sowie der Eigenschaften des auftretenden Staubes eine sehr wichtige Rolle. Daraus resultieren die Anforderung, die eine Filterzelle im Inneren der Filteranlage erfüllen muss, um Abluft in der gewünschten Qualität zu erzeugen. Mit diesen Kenntnissen lässt sich aus der Fülle der verfügbaren Filterzellen die Filterzelle ermitteln, die am besten zu dem Prozess passt. Ein Gespräch mit den Engineers der Hersteller ist dabei von elementarer Bedeutung, da dort das Know-How zum Auslegen und Auswählen der richtigen Komponenten vorhanden ist.

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