Systemy próżniowe w laboratorium często działają w tle. Co jednak się dzieje, gdy pompy wstępne są nieefektywnie zaprojektowane? Przykład z praktyki pokazuje, dlaczego architektura systemu próżniowego ma decydujący wpływ na koszty, stabilność i warunki pracy.
HiScroll
(Bild: Pfeiffer Vacuum)
Ukryty bohater pracy w laboratorium
Odwiedzając laboratorium analityczne, można spotkać się z technologią próżniową. Próżnia zapobiega na przykład rozpraszaniu jonów w spektrometrach masowych i zapewnia pomiary stosunku masy do ładunku. Wiele innych procesów laboratoryjnych nie mogłoby funkcjonować bez technologii próżniowej.
Rysunek 1: Ilustracja przedstawiająca próżnię laboratoryjną. Wiele różnych eksperymentów naukowych, takich jak linie Schlenka, czy też przyrządy analityczne, np. spektrometry masowe, wymaga próżni.
(Bild: Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions.)
Technika próżniowa znajduje zastosowanie w wielu zastosowaniach laboratoryjnych, jak pokazuje rysunek 1:
Przykładami są przyrządy analityczne, zastosowania w syntezie preparatywnej oraz nauki o powierzchniach.
Niewydajne konfiguracje próżniowe
Systemy próżniowe w laboratorium muszą zapewniać wymagane warunki pracy. Nieoptymalne konfiguracje próżniowe mogą utrudniać osiągnięcie tego celu.
Niewystarczające zasilanie próżniowe może powodować następujące skutki:
Awaria urządzenia
Zwiększone nakłady na konserwację
Zwiększone zużycie energii
Zwiększony poziom hałasu
Podwyższony poziom drgań
Zwiększone ryzyko zanieczyszczenia
Mniej stabilne warunki próżniowe
Wahania wyników analitycznych lub eksperymentalnych
Koszty bezpośrednie wynikają z przestojów, skróconych okresów między przeglądami oraz niepotrzebnego zużycia energii, natomiast koszty pośrednie wynikają między innymi ze zwiększonych kosztów osobowych. Podwyższony poziom hałasu i drgań obniża jakość warunków pracy.
Zoptymalizowane zasilanie próżniowe obniża koszty eksploatacji, zwiększa stabilność procesu i może poprawić warunki pracy dzięki zmniejszeniu emisji hałasu.
Inne aspekty zoptymalizowanego zasilania próżniowego:
Wzajemne oddziaływanie kilku pomp i wymagane ciśnienie wstępnej próżni: Wiele zastosowań laboratoryjnych wymaga wysokiej próżni, którą zazwyczaj uzyskuje się poprzez kilka stopni pompowania. Ciśnienie wstępnej próżni jest ważnym parametrem projektowym. Zbyt mała pompa wstępna może pogorszyć wydajność próżniową całego systemu. Z kolei zbyt duże wymiarowanie prowadzi do zwiększonego zapotrzebowania na energię.
Inteligentne pompy: pompy próżniowe z regulacją prędkości obrotowej dostosowują swój punkt pracy do procesu, co zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz obciążenie mechaniczne ruchomych elementów. Ponadto zmniejsza się poziom hałasu i drgań.
Zastąpienie kilku małych pomp próżniowych jedną większą: W wielu laboratoriach równolegle pracuje kilka przyrządów, z których każdy wykorzystuje zewnętrzne pompy wstępne. Jedna większa, odpowiednio dobrana pompa wstępna może zwiększyć wydajność i zmniejszyć zapotrzebowanie na miejsce.
Centralne zasilanie próżniowe zamiast zdecentralizowanego zasilania indywidualnego: system centralny zapewnia określony poziom próżni i zasila wiele stanowisk pracy lub instrumentów. W porównaniu z rozwiązaniami indywidualnymi może poprawić wydajność, ułatwić planowanie konserwacji oraz zmniejszyć emisję ciepła i hałasu.
Redundancja: Awaria układu wytwarzania próżni powoduje przestój, nieprawidłowe pomiary lub zakłócenia w procesie. Redundancja zmniejsza ryzyko związane z pojedynczym punktem awarii.
Centralny system zasilania próżnią wstępną w firmie Eurofins Umwelt West GmbH
Firma Eurofins Umwelt West GmbH z siedzibą w Wesseling zajmuje się analizą zanieczyszczeń środowiskowych w próbkach wody, powietrza i gleby. W laboratoriach wykorzystywanych jest wiele systemów GC/MS, a każdy z nich posiada własny układ podciśnieniowy.
Duża liczba pomp wstępnych smarowanych olejem spowodowała następujące wyzwania:
Podniosły poziom hałasu w laboratorium.
Ciepło odpadowe wytwarzane przez pompy musiało być odprowadzane przez system klimatyzacji, co powodowało dodatkowe koszty.
Każda pompa wymagała regularnej konserwacji.
Zużycie energii przez pompy było znaczne
Istniało ryzyko cofnięcia się oparów oleju (węglowodorów).
Pierwotna konfiguracja wykazywała potencjał optymalizacji. W związku z tym dziesięć smarowanych olejem pomp rotacyjnych zastąpiono dwiema pompami próżniowymi typu scroll. Obliczenia przewidywanego przepływu gazu potwierdziły, że jedna pompa HiScroll 18 może zasilać wszystkie dziesięć spektrometrów masowych. Druga pompa zapewnia rezerwę na wypadek awarii lub konserwacji. Rysunek 2 przedstawia w uproszczonej formie zoptymalizowany schemat próżniowy w laboratorium.
Rysunek 2: Konfiguracja próżniowa po przejściu na centralne zasilanie próżnią wstępną. Pięć systemów GC/MS (5) jest zasilanych niezbędną próżnią wstępną przez pompy próżniowe typu scroll (1). Sterownik (2) steruje zaworem (3) w taki sposób, że w przypadku awarii jednej z pomp obie linie są zasilane przez pozostałą pompę. Dodatkowe zawory ręczne (4) ułatwiają prace konserwacyjne.
(Bild: Pfeiffer Vacuum)
Każdy moduł HiScroll (1) zasila pięć systemów GC/MS (5) próżnią wstępną. Oba przewody próżni wstępnej są połączone za pomocą sterowanego zaworu kątowego (3). Sterownik (OmniControl, 2) otwiera zawór w przypadku awarii pompy. Taki układ gwarantuje, że podczas konserwacji lub awarii wszystkie dziesięć systemów GC/MS nadal otrzymuje próżnię wstępną. W celu ułatwienia konserwacji przyrządów zainstalowano zawory ręczne (4).
Zużycie energii związane z pracą pomp spadło o 60–70 %. Ponadto zmniejszyło się zapotrzebowanie na klimatyzację, ponieważ dzięki mniejszej aktywności pomp zmniejszyło się wydzielanie ciepła. Wyeliminowano konieczność utylizacji oleju, a warunki pracy uległy poprawie dzięki niższym poziomom hałasu.
Podsumowanie
Systemy próżniowe stanowią niezbędną infrastrukturę laboratoryjną. Mają one wpływ na stabilność analityczną, dostępność urządzeń, zużycie energii, ryzyko zanieczyszczenia oraz warunki pracy. Często systemy próżni wstępnej są projektowane osobno dla każdego urządzenia, a nie dla całej instalacji. Może to obniżyć wydajność i stabilność pracy. Ważnymi środkami optymalizacyjnymi są odpowiednio dobrane stopnie pompowania, określone ciśnienie wstępnej próżni, centralne zasilanie próżniowe oraz redundancja. Przykładem tego jest przypadek firmy Eurofins Umwelt West GmbH: dziesięć pomp rotacyjnych w systemach GC/MS zostało zastąpionych dwiema pompami spiralnymi w konfiguracji redundantnej. Dzięki temu zużycie energii związane z pracą pomp spadło o 60–70%, zmniejszyło się zapotrzebowanie na klimatyzację oraz nakłady na konserwację. Ponadto wyeliminowano konieczność utylizacji oleju, a warunki pracy uległy poprawie. Rozwiązania scentralizowane nie zawsze są konieczne, ale mogą przynosić korzyści w przypadku większej liczby przyrządów. Architektura próżniowa powinna zatem być traktowana w działalności laboratoryjnej jako strategiczny parametr projektowy.
Stan na dzień: 20.11.2020 r.
Jest dla nas sprawą oczywistą, że w sposób odpowiedzialny obchodzimy się z danymi osobowymi użytkowników. Jeśli gromadzimy dane osobowe, przetwarzamy je zgodnie z obowiązującymi przepisami o ochronie danych. Szczegółowe informacje można znaleźć tutaj: Polityka prywatności.
Zgoda na wykorzystanie danych do celów reklamowych
Wyrażam zgodę na wykorzystywanie przez spółkę Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planck-Str. 7-9, 97082 Würzburg, Niemcy, oraz przez wszystkie spółki z nią powiązane w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG (dalej: Vogel Communications Group) mojego adresu e-mail do przesyłania mi newsletterów redakcyjnych. Lista spółek stowarzyszonych znajduje się tutaj.
Treść newslettera obejmuje produkty i usługi wszystkich wyżej wymienionych spółek, w tym na przykład czasopisma branżowe i książki specjalistyczne, wydarzenia i targi branżowe, a także produkty i usługi związane z wydarzeniami, oferty i usługi mediów drukowanych i wirtualnych, takie jak inne newslettery informacyjne, konkursy, kampanie leadowe, badania rynku online i offline, specjalistyczne portale internetowe i oferty e-learningowe. Jeśli pobrany został również mój osobisty numer telefonu, może być on wykorzystany do składania ofert dotyczących wymienionych wyżej produktów i usług wyżej wymienionych spółek oraz do badań rynkowych.
Moja zgoda obejmuje również przetwarzanie mojego adresu e-mail i numeru telefonu w celu porównania danych w celach marketingowych z wybranymi partnerami reklamowymi, takimi jak np. LinkedIn, Google i Meta. W tym celu Vogel Communications Group może przekazać wskazane dane w postaci zahashowanej partnerom reklamowym, a partnerzy ci mogą następnie wykorzystywać je w celu ustalenia, czy posiadam również konto w odpowiednich serwisach tych partnerów reklamowych. Grupa Vogel Communications wykorzystuje tę funkcję do celów retargetingu (upselling, cross-selling i budowanie lojalności klientów), tworzenia tzw. grup odbiorców podobnych (Lookalike Audiences) w celu pozyskiwania nowych klientów oraz jako podstawę do wykluczania odbiorców z bieżących kampanii reklamowych. Więcej informacji można znaleźć w sekcji „Porównanie danych w celach marketingowych” w polityce prywatności.
Jeśli otworzę na stronach internetowych chronione treści umieszczone na portalach Grupy Vogel Communications, w tym jej spółek stowarzyszonych w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG, muszę zarejestrować się, podając dodatkowe dane, aby uzyskać dostęp do tych treści. W zamian za bezpłatny dostęp do treści redakcyjnych, moje dane mogą być wykorzystywane zgodnie z niniejszą zgodą do tutaj określonych celów. Nie dotyczy to porównywania danych w celach marketingowych.
Prawo do wycofania zgody
Jestem świadomy(a), że w przyszłości mogę wycofać zgodę w dowolnym momencie. Wycofanie przeze mnie zgody nie ma wpływu na zgodność z prawem przetwarzania, którego dokonano na podstawie mojej zgody do momentu jej wycofania. Aby wycofać zgodę, mogę skorzystać z formularza kontaktowego dostępnego pod adresem https://contact.vogel.de/pl. Jeśli nie chcę już otrzymywać subskrybowanych przeze mnie newsletterów, mogę zrezygnować z subskrypcji naciskając w link znajdujący się na końcu newslettera. Więcej informacji na temat mojego prawa do wycofania zgody, a także konsekwencji wycofania zgody znajduje się tutaj: Polityka prywatności, sekcja Newslettery redakcyjne.