Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Лиофильная сушка (лиофилизация) представляет собой процесс удаления влаги из замороженного продукта путём сублимации льда в условиях глубокого вакуума. Этот метод широко применяется в фармацевтической, биотехнологической и пищевой промышленности для сохранения биологической активности белков, вакцин, ферментов, а также вкусовых и питательных свойств пищевых продуктов.
Конструкция промышленного лиофилизатора включает несколько критически важных подсистем, в каждой из которых работают подшипники определённого типа: вакуумная система, гидравлический привод полок, холодильная установка каскадного типа и механизмы загрузки/выгрузки. Выбор подшипников для лиофильных сушилок определяется жёсткими условиями эксплуатации: глубокий вакуум (до 0,01 мбар), широкий диапазон рабочих температур (от -85 до +80 градусов Цельсия), требования чистоты GMP и длительные циклы непрерывной работы.
В данной статье рассмотрены подшипниковые узлы лиофилизаторов трёх ведущих мировых производителей: GEA (Германия), SP Scientific (США) и Telstar (Испания). Для каждой серии оборудования описаны типы применяемых подшипников для насосов, направляющих элементов и втулок скольжения.
Лиофилизатор состоит из четырёх основных функциональных блоков, в каждом из которых присутствуют собственные подшипниковые узлы:
Полки выполняют функцию теплообменников: при замораживании отводят тепло от продукта, при сушке подают тепловую энергию. Через полые полки циркулирует теплоноситель (как правило, силиконовое масло). Системы укупорки (стоппирования) флаконов требуют перемещения пакета полок в вертикальном направлении с помощью гидравлического или пневматического цилиндра. В штоковом узле гидроцилиндра работают подшипники скольжения и направляющие ленты.
Конденсатор представляет собой охлаждаемые змеевики или пластины, на которых происходит десублимация водяного пара. Температура поверхности конденсатора достигает -85 градусов Цельсия и ниже. Холодильный контур конденсатора содержит компрессоры с собственными подшипниковыми узлами.
Вакуумный насос создаёт и поддерживает давление в камере на уровне 0,01-1 мбар. В зависимости от типа насоса (пластинчато-роторный или сухой спиральный) в его конструкции применяются подшипники скольжения с масляной смазкой либо герметичные шариковые подшипники качения.
Для достижения температур конденсора ниже -40 градусов Цельсия используются каскадные холодильные системы. Верхний каскад работает, как правило, на хладагенте R404A, нижний каскад -- на R508B или R23. В каждом компрессоре каскада установлены радиально-упорные подшипники, воспринимающие комбинированные нагрузки.
Серия RAY предназначена для промышленной лиофильной сушки пищевых продуктов: растворимого кофе, фруктов, овощей, мяса, морепродуктов, а также бактериальных культур и ферментов. Линейка включает модели от RAY 1 (20-30 кг/сутки) до RAY 125 (в связке до шести установок -- до 20-30 тонн/сутки).
Новое поколение RAY Plus отличается снижением потерь давления в камере на 50% по сравнению с предыдущими моделями за счёт установки конденсоров с обеих сторон камеры. Начиная с модели RAY 125 Plus, оборудование комплектуется четырьмя конденсорами (три рабочих, один в режиме оттайки), что позволяет работать при температуре конденсора примерно на 6 градусов Цельсия выше.
В конструкции RAY продукт перемещается на тележках по рельсовой системе из нержавеющих труб диаметром 80 мм. Подшипниковые узлы колёс тележек работают в условиях глубокого вакуума и циклического нагрева/охлаждения, что предъявляет особые требования к смазочным материалам.
Серия LYOVAC является флагманской линейкой фармацевтических лиофилизаторов GEA с площадью полок от 1 до 60 кв. м и ёмкостью конденсора свыше 1000 кг. Конденсор может располагаться непосредственно под сушильной камерой или сбоку, обеспечивая разделение чистой и технической зон.
Ключевая особенность LYOVAC -- собственное производство полок GEA, обеспечивающее оптимальное распределение температуры. Гидравлическая система укупорки флаконов (стоппирование снизу вверх) использует цилиндры с уплотнениями штока на основе PTFE-бронзовых композитов.
Серия SMART LYO предлагает стандартизированные модули с площадью полок от 6,7 до 41,2 кв. м и ёмкостью конденсора до 800 кг. Вся система монтируется на едином однорамном основании и включает компактный блок камера/конденсор, модули гидравлики, вентиляции и вакуума.
LyoStar -- это научно-исследовательский и опытно-промышленный лиофилизатор, состоящий из четырёх основных компонентов: камера с полками, камера конденсора, компьютерная рабочая станция и вакуумный насос. LyoStar 3 оснащается каскадной холодильной системой мощностью 5,5 л. с. с хладагентами R404A (верхний каскад) и R508B (нижний каскад). Диапазон температур полок составляет от -70 до +60 градусов Цельсия, температура конденсора достигает -85 градусов Цельсия.
Вакуумная система LyoStar 3 базируется на двухступенчатом пластинчато-роторном насосе Leybold TRIVAC серии B или D16B, обеспечивающем откачку камеры до 100 мТорр менее чем за 20 минут. Вакуумный насос расположен в нижнем левом отсеке установки.
Модель LyoStar 4.0 представляет последнее поколение серии, выполненное на базе полномасштабного производственного лиофилизатора для обеспечения масштабирования процессов. Совместимость с технологиями процессной аналитики (PAT): LyoFlux TDLAS, SMART Freeze Dryer Technology.
Пилотный лиофилизатор VirTis Genesis предлагается в более чем 100 конфигурациях. Камера и полки выполнены из нержавеющей стали 316L. Температура полок достигает -70 градусов Цельсия, конденсора -- до -85 градусов Цельсия. Модели Genesis оснащаются вакуумными насосами Leybold, что определяет тип применяемых подшипников вакуумной системы.
Крупные производственные лиофилизаторы SP Hull с площадью полок до 108 кв. футов (около 10 кв. м) и более оснащаются вакуумными насосами Alcatel и Nash, а также двумя холодильными компрессорами. Гидравлическая система стоппирования обеспечивает укупорку флаконов снизу вверх.
LyoBeta -- лабораторный лиофилизатор для биотехнологических, фармацевтических и пищевых применений. Выпускается в четырёх моделях: LyoBeta 15, 20, 25 и 35 с площадью полок от 0,46 до 1,03 кв. м. Температурный диапазон полок: от -65 до +80 градусов Цельсия. Температура конденсора ниже -83 градусов Цельсия. Скорость нагрева/охлаждения полок -- 1 градус Цельсия в минуту.
Конструктивно LyoBeta представляет собой моноблочную установку на поворотных колёсах. Камера, конденсор и все подсистемы (вакуумный насос, холодильные компрессоры) размещены в едином стальном корпусе с порошковым покрытием. Управление осуществляется посредством ПЛК с сенсорным экраном или программным обеспечением LyoSuite SCADA.
LyoMega -- промышленный GMP-лиофилизатор с площадью полок до 60 кв. м, спроектированный и производимый в Барселоне. Оборудование сертифицировано по PED, ASME, GB, а также CE и UL. LyoMega оснащается интегрированными системами CIP/SIP, поддерживает конфигурацию для работы с токсинами и различными растворителями.
Механизмы автоматической загрузки и выгрузки флаконов и продукта навалом могут интегрироваться с изоляторами и системами RABS. Система контроля соответствует требованиям CFR21-11 и GAMP5 для обеспечения целостности данных.
Наиболее распространённый тип вакуумных насосов в лиофильных сушилках -- двухступенчатые пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением. В лиофилизаторах SP Scientific LyoStar и VirTis Genesis используются насосы Leybold TRIVAC серии B (модели D4B, D8B, D16B, D25B, D40B, D65B) и серии L.
Конструкция подшипникового узла TRIVAC B определяется принципом принудительной смазки: встроенный масляный насос обеспечивает смазку подшипников скольжения под давлением, после чего минимальное количество масла подаётся в камеры сжатия для смазки пластин (лопаток). Опорные точки насосного модуля -- это подшипники скольжения с принудительной масляной смазкой.
Двигатель фланцуется непосредственно к корпусу насоса, валы соединяются гибкой муфтой, минимизирующей вибрацию. Модели D16B-D65B дополнительно оснащены встроенным вентилятором канального охлаждения, приводимым непосредственно от двигателя.
Номинальная быстрота откачки: 16 м3/ч (50 Гц) / около 19 м3/ч (60 Гц). Предельное остаточное давление без газобалласта: порядка 2 x 10^-3 мбар. Подшипники: скольжения с принудительной масляной смазкой от встроенного маслонасоса. Масло: Leybold LVO 130 (минеральное). Время откачки камеры LyoStar 3 до 100 мТорр: менее 20 минут.
Безмасляные спиральные насосы применяются в лиофилизаторах, где требуется исключить риск обратного потока масляных паров в камеру. Примером служат насосы Agilent серии IDP (модели IDP-3, IDP-7, IDP-10, IDP-15) и Leybold SCROLLVAC plus.
В конструкции спиральных насосов Agilent IDP используется герметичная компоновка: двигатель и все подшипники полностью изолированы от вакуумного тракта. Это исключает контакт подшипников с перекачиваемыми газами и парами, продлевая срок службы подшипников и обеспечивая чистый сухой вакуум. Подшипники -- закрытые шариковые радиальные, не требующие обслуживания в течение всего интервала между заменами уплотнений (tip seal) -- около 9000 часов работы.
В фармацевтических лиофилизаторах GEA LYOVAC, SMART LYO, SP LyoStar и Telstar LyoMega перемещение пакета полок для укупорки (стоппирования) флаконов осуществляется гидравлическим цилиндром. Шток гидроцилиндра передвигает нижнюю полку вверх, последовательно сжимая пакет полок и вдавливая пробки во флаконы.
Штоковый узел гидроцилиндра лиофилизатора включает следующие подшипниковые и уплотнительные элементы:
Направляющие ленты (guide strips/wear rings) -- выполняют функцию подшипников скольжения, обеспечивая центрирование поршня и штока в цилиндре, воспринимая поперечные нагрузки и предотвращая контакт металл-металл. Материал -- PTFE с наполнителем из бронзы (40-60% по массе). Бронзонаполненный PTFE обеспечивает низкий коэффициент трения, высокую износостойкость, самосмазываемость и работоспособность при давлениях до 40 МПа.
Уплотнения штока (rod seals) -- многокомпонентные уплотнительные комплекты из PTFE-бронзового композита с эластомерными элементами (NBR, FKM). Предотвращают утечку гидравлической жидкости наружу.
Грязесъёмники (wipers/scrapers) -- снимают загрязнения со штока при его втягивании в цилиндр, защищая внутренние уплотнения от частиц и влаги.
PTFE + 40% бронзы: рабочая температура от -200 до +260 градусов Цельсия (по данным Parker Hannifin), рабочее давление до 40 МПа, коэффициент трения 0,04-0,10 без смазки. PTFE + стекловолокно + MoS2: повышенная размерная стабильность, лучшая износостойкость при высоких скоростях скольжения. Чистый PTFE: минимальный коэффициент трения, применяется при низких нагрузках.
В аппаратах GEA LYOVAC и LyoMega гидравлическая система работает на силиконовом масле, а не на минеральном. Это обусловлено тем, что силиконовое масло одновременно служит теплоносителем в контуре полок. При утечке из гидроцилиндра силиконовое масло не загрязняет продукт токсичными компонентами.
Telstar LyoMega включает систему LyoSensing для обнаружения утечек силиконового масла, что является критически важной функцией мониторинга состояния уплотнительных и подшипниковых элементов гидроцилиндра.
Каскадные холодильные системы лиофилизаторов содержат, как минимум, два компрессора: верхнего и нижнего каскада. Каждый компрессор оснащён собственными подшипниковыми узлами.
В лабораторных и пилотных лиофилизаторах (LyoStar, LyoBeta, VirTis Genesis) чаще всего применяются герметичные (hermetic) поршневые компрессоры серий Embraco FFI, Tecumseh или аналогичных. В промышленных установках (GEA LYOVAC, LyoMega) используются полугерметичные поршневые или винтовые компрессоры.
Герметичные поршневые компрессоры каскадных холодильных систем содержат подшипники скольжения на коленчатом валу. Смазка осуществляется маслом, растворённым в хладагенте (POE -- полиолэфирные масла для HFC-хладагентов R404A и R508B). Коренной подшипник и шатунный подшипник -- втулки скольжения из антифрикционных сплавов.
В промышленных холодильных компрессорах применяются радиально-упорные шариковые подшипники, воспринимающие комбинированные радиальные и осевые нагрузки от ротора. Типоразмеры определяются производителем компрессора. Номинальный угол контакта составляет от 15 до 40 градусов в зависимости от соотношения радиальной и осевой составляющих нагрузки (ГОСТ 831-2022).
Для винтовых компрессоров дополнительно применяются однорядные радиально-упорные подшипники и двухрядные радиально-упорные подшипники для восприятия осевых усилий от винтовой пары.
Промышленные лиофилизаторы GEA LYOVAC и Telstar LyoMega опционально комплектуются автоматическими системами загрузки и выгрузки (ALUS у GEA). Эти системы минимизируют риск контаминации оператор/продукт и обеспечивают загрузку флаконов в камеру с высокой скоростью (до 300 флаконов в минуту).
В механизмах линейного перемещения систем загрузки применяются линейные шариковые подшипники на профильных рельсовых направляющих, обеспечивающие точное позиционирование и плавный ход загрузочной платформы. Подшипники работают в чистых условиях, однако подвергаются периодическому воздействию влаги при мойке (CIP) и стерилизации паром (SIP).
Для пищевых лиофилизаторов GEA RAY система тележек на рельсах из нержавеющих труб диаметром 80 мм использует роликовые подшипники колёс, рассчитанные на работу в условиях вакуума и циклического изменения температуры.
Для пластинчато-роторных насосов Leybold TRIVAC основные операции обслуживания подшипниковых узлов:
Замена масла проводится по регламенту производителя или при помутнении масла. Нормальное масло должно быть прозрачным. Помутнение указывает на наличие конденсата или продуктов износа подшипников и лопаток. Рекомендуется периодическая работа с открытым газобалластным клапаном для удаления конденсированной воды из масла.
Ревизия внутренних секций насоса выполняется без специального инструмента. При обнаружении повышенного шума, вибрации или ухудшения предельного вакуума необходимо проверить состояние лопаток и подшипниковых втулок.
Для сухих спиральных насосов Agilent IDP основная операция -- замена уплотнения спирали (tip seal) каждые 9000 часов или ежегодно. Подшипники качения, изолированные от вакуумного тракта, как правило, не требуют обслуживания в течение 3-4 лет непрерывной работы.
Контроль состояния направляющих лент и уплотнений штока гидроцилиндра проводится при плановом техническом обслуживании лиофилизатора. Признаки износа: утечка гидравлической жидкости, увеличение хода поршня для достижения заданного усилия стоппирования, неравномерность хода полок.
В лиофилизаторах Telstar LyoMega система LyoSensing обеспечивает автоматическое обнаружение утечек силиконового масла, что позволяет своевременно выявлять износ уплотнений и направляющих элементов гидроцилиндра.
Диагностика подшипниковых узлов компрессоров каскадной холодильной системы проводится косвенными методами: контроль рабочих токов, анализ вибрации, анализ масла на содержание продуктов износа. Повышенный пусковой ток или "чихание" при запуске может указывать на проблемы с подшипниками или недостаточное напряжение питания.
Вакуумный насос: предельное остаточное давление (должно соответствовать паспортному значению); время откачки камеры до рабочего давления; уровень шума и вибрации; состояние и цвет масла.
Гидроцилиндр: отсутствие утечек на штоке; плавность хода; равномерность усилия стоппирования по всей площади полок.
Компрессоры: рабочие давления нагнетания и всасывания; потребляемый ток; уровень вибрации; температура корпуса.
В маслозаполненных пластинчато-роторных насосах (Leybold TRIVAC B, C, L) применяются подшипники скольжения с принудительной масляной смазкой от встроенного маслонасоса. В безмасляных спиральных (scroll) насосах (Agilent IDP, Leybold SCROLLVAC, Edwards) используются закрытые шариковые радиальные подшипники качения, полностью изолированные от вакуумного тракта.
Направляющие ленты (wear rings) и подшипники скольжения штока изготавливаются из PTFE (политетрафторэтилена) с наполнителем из бронзы. Содержание бронзы составляет 40-60% по массе. Этот композит обеспечивает низкий коэффициент трения (0,04-0,10), самосмазываемость, высокую химическую стойкость и работоспособность в широком диапазоне температур от -200 до +260 градусов Цельсия.
В герметичных поршневых компрессорах лабораторных лиофилизаторов используются подшипники скольжения (втулки) на коленчатом валу, смазываемые полиолэфирным (POE) маслом, растворённым в хладагенте. В промышленных полугерметичных и винтовых компрессорах применяются радиально-упорные шариковые подшипники с углом контакта от 15 до 40 градусов для восприятия комбинированных нагрузок.
Двухступенчатые пластинчато-роторные насосы Leybold TRIVAC серии B обеспечивают предельное остаточное давление порядка 10^-3 мбар, высокую паропоглощающую способность (за счёт газобалласта), низкий уровень шума и вибрации, а также простоту обслуживания без специального инструмента. Эти характеристики оптимально соответствуют требованиям процесса лиофилизации. Вакуумные спецификации производителя основаны на испытаниях именно с насосами Leybold D16B.
Для пластинчато-роторных насосов Leybold TRIVAC замена масла проводится по регламенту (обычно каждые 2000-3000 часов работы или при помутнении масла). Ревизия подшипников скольжения и лопаток выполняется при плановом капитальном ремонте. Для сухих спиральных насосов Agilent IDP подшипники не требуют обслуживания в течение 3-4 лет; основная регламентная операция -- замена уплотнения спирали (tip seal) каждые 9000 часов.
Типичная комбинация для каскадных систем с конденсором -85 градусов Цельсия: верхний каскад -- R404A (температура испарения от -30 до -45 градусов Цельсия), нижний каскад -- R508B (температура испарения от -70 до -90 градусов Цельсия). Также применяется комбинация R404A/R23. Выбор хладагента определяет тип компрессорного масла и, соответственно, условия работы подшипников скольжения компрессора.
В фармацевтических лиофилизаторах (GEA LYOVAC, Telstar LyoMega) все элементы, контактирующие с продуктом, выполнены из нержавеющей стали 316L. Гидравлическая система работает на силиконовом масле. Подшипниковые узлы систем загрузки (ALUS) должны выдерживать циклы CIP/SIP. В пищевых лиофилизаторах (GEA RAY) подшипники тележек работают в условиях глубокого вакуума и циклической смены температур, но без требований стерилизации паром.
ALUS (Automatic Loading and Unloading System) -- система автоматической загрузки и выгрузки флаконов, разработанная GEA. Она минимизирует контакт оператора с продуктом и обеспечивает загрузку до 300 флаконов в минуту. В механизмах линейного перемещения ALUS используются линейные шариковые подшипники на профильных рельсовых направляющих, обеспечивающие точное позиционирование загрузочной платформы.
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, ущерб или последствия, возникшие в результате использования информации, изложенной в данном материале. Содержание статьи не является руководством к действию и не заменяет официальную техническую документацию производителей оборудования. Перед выполнением любых работ по техническому обслуживанию, ремонту или замене комплектующих лиофилизаторов необходимо руководствоваться актуальной документацией производителя и привлекать квалифицированных специалистов. Автор не несёт ответственности за достоверность данных, содержащихся в источниках третьих лиц.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.