gesponsordVacuümsystemen voor laboratoria Ontwerp en optimalisatie voor een efficiënte werking

Vacuümsystemen werken in het laboratorium vaak op de achtergrond. Maar wat gebeurt er als voorpompen inefficiënt zijn ontworpen? Een praktijkvoorbeeld laat zien waarom de opzet van de vacuümvoorziening bepalend is voor de kosten, de stabiliteit en de arbeidsomstandigheden.

De verborgen held van het laboratorium

Als u een analytisch laboratorium bezoekt, zult u vacuümtechnologie tegenkomen. Vacuüm voorkomt bijvoorbeeld in massaspectrometers de verstrooiing van ionen en zorgt ervoor dat de massa-ladingsverhouding kan worden gemeten. Veel andere laboratoriumprocessen zouden zonder vacuümtechnologie niet functioneren.

Vacuümtechniek wordt in veel laboratoriumtoepassingen gebruikt, zoals te zien is in figuur 1:

Voorbeelden hiervan zijn analytische instrumenten, preparatieve synthesetoepassingen en oppervlaktewetenschappen.

Inefficiënte vacuümconfiguraties

Vacuümsystemen in het laboratorium moeten de vereiste bedrijfsomstandigheden creëren. Niet-geoptimaliseerde vacuümconfiguraties kunnen dit doel in de weg staan.

De gevolgen van een onvoldoende vacuümtoevoer kunnen zijn:

• Storing van apparatuur
• Verhoogde onderhoudskosten
• Verhoogd energieverbruik
• Verhoogde geluidsemissies
• Verhoogd trillingsniveau

• Verhoogd risico op besmetting
• Minder stabiele vacuümomstandigheden
• Schommelingen in analytische of experimentele resultaten

Directe kosten ontstaan door stilstand, kortere onderhoudsintervallen en onnodig stroomverbruik; indirecte kosten onder meer door hogere personeelskosten. Verhoogde geluids- en trillingsniveaus hebben een negatieve invloed op de kwaliteit van de werkplek.

Een geoptimaliseerde vacuümvoorziening verlaagt de bedrijfskosten, verhoogt de processtabiliteit en kan de arbeidsomstandigheden verbeteren door minder geluidsemissie.

Andere aspecten van een geoptimaliseerde vacuümvoorziening:

• Wederzijdse beïnvloeding van meerdere pompen en vereiste voorvacuümdruk: Bij veel laboratoriumtoepassingen is hoogvacuüm nodig, dat meestal door meerdere pomptrappen wordt gegenereerd. De voorvacuümdruk is een belangrijke ontwerpparameter. Een te kleine voorpomp kan de vacuümprestaties van het totale systeem verslechteren. Een te grote pomp leidt tot een hoger energieverbruik.
• Slimme pompen: vacuümpompen met toerentalregeling passen hun werkpunt aan het proces aan, waardoor het elektriciteitsverbruik en de mechanische belasting van bewegende onderdelen worden verminderd. Bovendien worden het geluidsniveau en de trillingen verminderd.
• Vervanging van meerdere kleine vacuümpompen door één grotere: in veel laboratoria werken meerdere instrumenten tegelijk, die elk gebruikmaken van externe voorvacuümpompen. Een grotere, op de juiste manier gedimensioneerde voorpomp kan de efficiëntie verhogen en de benodigde ruimte verminderen.
• Centrale vacuümvoorziening in plaats van decentrale individuele voorziening: een centraal systeem zorgt voor een vastgesteld vacuümniveau en voorziet meerdere werkplekken of instrumenten van vacuüm. In vergelijking met individuele oplossingen kan dit de efficiëntie, de onderhoudsplanning en de warmte- en geluidsemissies verbeteren.
• Redundantie: Als de vacuümopwekking uitvalt, leidt dit tot stilstand, ongeldige metingen of processtoringen. Redundantie vermindert het risico van een enkel storingspunt.

Centrale voorvacuümvoorziening bij Eurofins Umwelt West GmbH

Eurofins Umwelt West GmbH in Wesseling analyseert milieuschadelijke stoffen in water-, lucht- en bodemmonsters. In de laboratoria worden veel GC/MS-systemen gebruikt en elk systeem beschikt over een eigen voorvacuümsysteem.

Het grote aantal met olie gesmeerde voorpompen leidde tot de volgende uitdagingen:

• Ze zorgden ervoor dat het geluidsniveau in het laboratorium toenam.
• De door de pompen geproduceerde restwarmte moest via de airconditioning worden afgevoerd, wat extra kosten met zich meebracht.
• Elke pomp moest regelmatig worden onderhouden.
• Het energieverbruik van de pompen liep flink op
• Er bestond gevaar voor terugstroming van oliedampen (koolwaterstoffen).

De oorspronkelijke configuratie bood ruimte voor optimalisatie. Daarom werden tien oliegesmeerde roterende schottenpompen vervangen door twee scroll-vacuümpompen. Berekeningen van het verwachte gasdebiet bevestigden dat één HiScroll 18 alle tien massaspectrometers kan voeden. De tweede pomp zorgt voor redundantie in geval van storing of onderhoud. Figuur 2 toont het geoptimaliseerde vacuümschema in het laboratorium in vereenvoudigde vorm.

Elke HiScroll (1) voorziet vijf GC/MS-systemen (5) van voorvacuüm. De twee voorvacuümleidingen zijn via een regelbare hoekafsluiter (3) met elkaar verbonden. De controller (OmniControl, 2) opent de klep bij een pompstoring. Deze opstelling zorgt ervoor dat alle tien GC/MS-systemen tijdens onderhoud of bij een storing nog steeds voorvacuüm krijgen. Voor het onderhoud van de instrumenten zijn handmatige kleppen (4) geïnstalleerd.

Het stroomverbruik van de pompen daalde met 60-70 %. Bovendien nam de behoefte aan klimaatbeheersing af, omdat de warmteafgifte daalde doordat de pompen minder actief waren. Er hoefde geen olie meer te worden afgevoerd en de werkomgeving werd verbeterd door lagere geluidsniveaus.

Samenvatting

Vacuümsystemen vormen een essentieel onderdeel van de laboratoriuminfrastructuur. Ze beïnvloeden de analytische stabiliteit, de beschikbaarheid van de apparatuur, het energieverbruik, het risico op besmetting en de arbeidsomstandigheden. Vaak worden voorvacuümsystemen per instrument ontworpen in plaats van voor de gehele opstelling. Dit kan de efficiëntie en de bedrijfsstabiliteit verminderen. Belangrijke optimalisatiemaatregelen zijn op elkaar afgestemde pomptrappen, een gedefinieerde voorvacuümdruk, centrale vacuümvoorziening en redundantie. Het geval van Eurofins Umwelt West GmbH illustreert dit: tien draaischuifpompen op GC/MS-systemen werden vervangen door twee scrollpompen in een redundante configuratie. Hierdoor daalde het stroomverbruik van de pompen met 60–70 %, evenals de behoefte aan klimaatbeheersing en de onderhoudskosten. Bovendien was er geen afvoer van olie meer nodig en verbeterden de arbeidsomstandigheden. Centrale oplossingen zijn niet altijd noodzakelijk, maar kunnen bij meerdere instrumenten voordelen bieden. De vacuümarchitectuur moet daarom in de laboratoriumpraktijk als een strategische ontwerpparameter worden beschouwd.