Farmaceutisch bedrijf kiest voor CO₂/propaan

21 juli 2020

Door productie-uitbreiding bij farmaciebedrijf Biotest in Duitsland moest ook de koelcapaciteit worden vergroot. Het bedrijf wilde een duurzame installatie. Samen met de installateur koos het daarbij voor een cascadesysteem met in de eerste trap propaan en in de tweede CO₂. De energieoverdracht vindt plaats met glycol.

Tekst: Ruud van Dissel

Het project bij Biotest omvatte 100 kW aan vriesopslag en 30 kW voor klimaattechniek, luchtgordijnen en voorkoeling. Vanwege de gevoelige farmaceutische producten moesten alle machines met 100 procent redundantie – dus dubbel – worden uitgevoerd. Biotest, gevestigd in het Duitse stadje Dreieich, ten zuiden van Frankfurt, is een wereldwijde leverancier van plasma-eiwitproducten en biotherapeutische geneesmiddelen. Die worden voornamelijk gebruikt voor klinische immunologie, in de hematologie en op de intensive care.

Verdubbeling van de productie
Het bedrijf verwerkt samen met contractpartners tot 1,3 miljoen liter bloedplasma per jaar. Koeling is daarbij een essentieel onderdeel; om bloedplasma zo lang mogelijk goed te houden, wordt het bij temperaturen van -35 ˚C bewaard. In de plannen van het bedrijf moest de productie in Dreieich worden verdubbeld, waarvoor een nieuw pand werd neergezet. Dat moest worden gebouwd volgens de laatste regelgeving: de Duitse BENG, de energiebesparingsverordening EnEV 2015 en Ecodesign. Om aan deze hoge eisen te voldoen werd het pand onder meer voorzien van een eigen energiecentrale. Ook voor koeling moest er een milieuvriendelijk systeem komen.

Programma van eisen
Belangrijke voorwaarde voor het nieuwe koelsysteem was dat motoren aan efficiëntieklasse IE4 voldoen en dat frequentie-omvormers worden gebruikt om stroompieken te voorkomen en voor optimale bedrijfsomstandigheden te zorgen. Voor zover mogelijk moesten er uitsluitend natuurlijke koudemiddelen worden toegepast. Daardoor kan een duurzame inzet van de koelmachines zonder beperkingen vanuit de F-gassenverordening worden gegarandeerd.

Een van de nieuwe installatieruimtes bij Biotest.

Cascadesysteem met R134a en CO₂?
Het installatiebedrijf van het koelsysteem was KKR Kälte-Klima-Reinraumtechnik GmbH uit Langen, de systeemleverancier was Compact Kältetechnik GmbH uit Dresden. Samen gingen ze op zoek naar de beste oplossing voor de nieuwbouw van Biotest. Bij hun eerste ideeën en concepten gingen ze uit van ervaringen met eerdere, gelijksoortige projecten, waarbij ze uitkwamen op een cascadesysteem met R134a en CO₂. Na verdere verkennende gesprekken tussen de betrokken bedrijven en het aanleveren van alle randgegevens stelden ze een Programma van Eisen op waarin de wensen van Biotest in kaart werden gebracht.

Keuze voor watergekoelde condensor
De voorkeur van Biotest voor een duurzame installatie leidde tot alternatieve concepten, zoals een NH₃-toepassing en een concept met CO₂ als booster in een cascade-oplossing met een koolwaterstof. Propaan of propeen in een binnen geplaatste installatie had om veiligheidsredenen (de ontvlambaarheid) nooit de voorkeur van Compact Kältetechnik. Maar na het maken van een risicoanalyse bleek dit koudemiddel toch tot de mogelijkheden te behoren.

Vier machines per bouwdeel
De twee partijen besloten om het koelvermogen over vier machines per bouwdeel te verdelen, in een redundante uitvoering. Om veiligheidsredenen viel de keuze voor het ontwerp van de condensor op een watergekoelde techniek. Enerzijds om de hoeveelheid propaan te verlagen en anderzijds om te voorkomen dat er leidingen met koudemiddel door de bouwschil moeten lopen.
Vanwege explosiegevaar in de machinekamer besloot het projectteam om de koelmachines te beveiligen met een eigen ventilatiesysteem. Een andere maatregel was een gasdetector in elk afvoerluchtkanaal. Bij een koudemiddellekkage moet hiermee de koelmachine meteen worden uitgeschakeld.

De installatie heeft koudemiddel CO₂ als dx in de verdampers/luchtkoelers.

CO₂ als dx in de verdampers/luchtkoelers
Eerst werd het Programma van Eisen goedgekeurd en daarna ook het algemene concept. Dat bestond onder meer uit een installatie met het natuurlijke koudemiddel CO₂ als dx in de verdampers/luchtkoelers. Aangezien in het hele pand ook verschillende koelsystemen voor temperatuursluizen en voorkoelkamers nodig waren, kozen de ontwerpers daarnaast voor een cascadeoplossing met een indirect glycol/pekel-systeem.

Vier directe expansie CO₂-systemen
De in totaal vier directe expansie CO₂-systemen zorgen middels luchtgekoelde verdampers voor een ruimtetemperatuur van -35 °C in de opslagruimtes. De warmteoverdracht in de condensor van de cascadesystemen vindt plaats bij bij -8 °C. Dat gebeurt met de koudedrager ‘Greenway Neo -25’, een mengsel gebaseerd op glycol.

Acht koelmachines op propaan
Voor het koelen van het glycol zijn acht koelmachines op propaan in het ontwerp opgenomen. De verdeling over acht afzonderlijke circuits maakt lage hoeveelheden koudemiddel per circuit mogelijk. Omdat de propaanmachines in het gebouw staan, zijn de koelmachines met hun behuizing aangesloten op een luchtafvoersysteem dat permanent in bedrijf is en wordt bewaakt door een propaangaswaarschuwingssysteem.

Koude voor de klimaatregelkamers
Met alle propaankoelmachines in gebruik is 308 kW glycol bij -2/-8 °C beschikbaar. Naast de CO₂-systemen is dit bestemd voor andere warmtewisselaars in koelruimtes. Twee andere propaanchillers leveren koude voor de klimaatregelkamers, middels glycol/pekel op een temperatuurniveau van -9/-15 °C. Ook deze machines zijn redundant, dus dubbel, uitgevoerd.

Hergebruik van restwarmte
De restwarmte van de koelers van de propaanchillers wordt hergebruikt om warme glycol/pekel te genereren om hiermee de diepvriesverdampers te ontdooien. De overtollige restwarmte wordt weer via een water/glycol-warmtewisselaar naar een warmwatercircuit afgevoerd. Om de warmteoverdracht door het hele pand efficiënt te laten verlopen, zijn er ook verschillende warmteoverdrachtstations geïnstalleerd. Deze pompstations zijn in het ontwerp opgenomen om de vereiste medium-volumestromen te realiseren en om ze aan te kunnen passen aan de huidige belastingomstandigheden als dat na inbedrijfstelling nodig blijkt te zijn. De koppelingen van alle machines binnen het gebouwencomplex vereiste 34 pompstations voor de distributie van alle koudedragers.

Installatie op locatie
Bij de installatie op locatie werden de koelsystemen via een dakluik op een hoogte van circa 30 meter met een 160 tons-kraan op de zesde verdieping geplaatst. De elk circa 460 kilogram zware verdampers voor het diepvriesmagazijn werden ter plaatse met een telescopische heftruck op een hoogte van 10 meter opgehangen aan een stalen frame. De lengte van leidingen was circa 2.800 meter, voor CO₂ en glycol met koude pekel. Op verschillende plekken was de montage een lastige klus, zoals in de tussenruimten en de schachten. De koel- en pekelsystemen, pompen en bufferopslag in de machinekamer zijn in een zeer kleine ruimte geïnstalleerd.

Meet- en regeltechniek
De inregeling en controle zijn uitgevoerd door de firma Comnova. De aan te sturen en te regelen systemen zijn koel- en vriescellen. Het regelsysteem bevindt zich in dezelfde ruimte als de bijbehorende schakelkast en besturingskast. Alle storingen moeten handmatig worden gereset, zodat de oorzaak kan worden gedetecteerd. De alarmsignalen voor systeemstoringen en persoonlijke alarmen worden aangesloten op het Biotest-alarmsysteem.

Een van de koelsystemen op de zesde etage van het pand.

Automatische basislast-omschakeling
Per ruimte kan de gewenste ruimtetemperatuur worden ingesteld. De koelmachines hebben ook een automatische basislast-omschakeling die tijdafhankelijk is of, in geval van storingen in een circuit, geforceerd wordt uitgevoerd. De parameters kunnen op het display worden ingesteld. Bovendien kunnen de koelaggregaten afhankelijk van het benodigde vermogen worden ingeschakeld en kunnen de compressoren in toerental worden gestuurd, met frequentieregelaars. De bediening, bewaking en alarmmeldingen van het systeem worden uitgevoerd via een aanraakscherm.

Noodstopsysteem en alarmering
Buiten en binnen de technische ruimte is een noodstopknop voor het systeem gemonteerd. Hierdoor wordt het systeem bij bediening onmiddellijk en volledig uitgeschakeld. Nadat de knoppen zijn ontgrendeld en gereset op de schakelkast, wordt het controlesysteem weer vrijgegeven. Het persoonlijk alarm kan alleen in de bloedplasma-opslag worden gedeactiveerd en moet ook daar, samen met een bevestiging van een reset op de schakelkast, worden gereset. Er wordt een alarm gegenereerd voor elke activering, die ook aan de ingangspoort wordt gemeld.

Bufferopslag in het pekelcircuit
De productie van de koude pekel wordt uitgevoerd door de twee propaan/pekelinstallaties. De systemen worden geselecteerd met de stap-/prioriteitsschakelaar en de hierboven beschreven basislast-schakelaar. Met het oog op snelle veranderingen in de belasting is een bufferopslag geïnstalleerd in het pekelcircuit, om ervoor te zorgen dat de pekel-luchtkoeler altijd wordt voorzien van voldoende capaciteit voor normale koeling en voor het koelen van de condensor van de CO₂-cascade.

Bepaling van belastingbehoefte
De belastingbehoefte wordt bepaald met behulp van een PID-regeling. Die vergelijkt constant de werkelijke zuigdruk met de beoogde zuigdruk. Als de werkelijke zuigdruk afwijkt van het setpoint, verandert de PID-regelaar het verzoek. De compressoren worden met inachtneming van de bedrijfstijd en de foutomschakeling via het voedingssignaal vrijgegeven. De compressor met de laagste bedrijfstijd wordt gestart. De toerentalregeling wordt dan geactiveerd nadat de compressor is opgestart. De vraagafhankelijke snelheidsregeling wordt gecorrigeerd met een PID-controller, zoals eerder beschreven. De oververhitting van het zuiggas van de expansieventielen wordt ook bepaald met een PID-regelaar en bijgesteld als er een afwijking is van het setpoint.
Het gehele systeem is inmiddels in bedrijf gesteld. Het draait betrouwbaar en efficiënt volgens de vereiste en beschreven prestatiedoelen.