Hauptmaterial
Die Hygieneanforderungen der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie sind relativ hoch, und die zur Herstellung von Verarbeitungsbehältern und Rohrleitungssystemen verwendeten Materialien müssen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Reinigungsfähigkeit aufweisen, um die Reinheit und Qualität von Arzneimitteln sicherzustellen. Materialien müssen Temperatur, Druck und aggressiven Medien in Produktionsumgebungen sowie bei Desinfektions- und Reinigungsverfahren standhalten. Außerdem muss das Material gut schweißbar sein und die Anforderungen der Industrie an die Oberflächenbeschaffenheit erfüllen.
Das Hauptherstellungsmaterial für Prozessanlagen in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie ist austenitischer Edelstahl 316L (UNS S31603, EN1.4404). Die Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit, Elektropoliereigenschaften und einfache Verfügbarkeit von Edelstahl 316L machen ihn zu einem idealen Material für die meisten pharmazeutischen Anwendungen.
Obwohl 316L-Edelstahl in vielen Prozessumgebungen gut abschneidet, verbessern Anwender die Leistung von 316L-Edelstahl immer noch, indem sie die spezifische chemische Zusammensetzung von 316L-Edelstahl sorgfältig auswählen und Produktionsprozesse wie das Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) verbessern.
Wenn die Prozessbedingungen für Edelstahl 316L zu korrosiv sind, können Benutzer es weiterhin verwenden 316L Edelstahl, aber die Wartungskosten steigen, oder sie können auf superaustenitischen Edelstahl mit 6 % Molybdän und höherer Legierungszusammensetzung umsteigen, wie z. B. AL-6XN® (UNS N08367) oder 254SMO® (UNS S31254, EN1.4547). In den letzten Jahren hat die Biotechnologiebranche die Vorteile der Verwendung von 2205 (UNS S32205, EN1.4462) Duplex-Edelstahl für Produktionsanlagen erkannt.
Abbildung 1 F&E-Behälter für die pharmazeutische Industrie aus 2205 Duplex-Edelstahlplatte mit einer Dicke von 10 und 2205 Duplex-Edelstahlplatte mit einer Dicke von 4.8 mm. Produktberührende Oberflächen sind elektropoliert auf ASMEBPE – SF4 Finish. @Genentech
2205 Duplex-Edelstahl
Die metallografische Struktur von Edelstahl 316L umfasst eine Austenitphase und eine sehr geringe Menge an Ferritphase, und die Austenitphase wird stabilisiert, indem der Legierung eine ausreichende Menge Nickel zugesetzt wird.
Der Nickelgehalt von geschmiedetem Edelstahl 316L beträgt im Allgemeinen 10–11 %. Die chemische Zusammensetzung von Duplex-Edelstahl wurde so eingestellt, dass das gebildete Gefüge etwa gleich viele Ferrit- und Austenitphasen enthält (Bild 2). Mikrogewebe. 2205-Duplex-Edelstahl wird gebildet, indem der Nickelgehalt auf etwa 5 % reduziert und die Zugabe von Mangan und Stickstoff angepasst wird, um etwa 40–50 % Ferrit zu bilden.
Die chemische Zusammensetzung von 2205 Duplex-Edelstahl ist ausgewogen, und die Austenitphase und die Ferritphase haben eine große oder gleiche Korrosionsbeständigkeit.
Abbildung 2 (A) Mikrostruktur von geschmiedetem 316L-Edelstahl mit Austenitkörnern und gelegentlich sichtbaren Ferritstreifen (B) Mikrostruktur von geschmiedetem 2205-Duplex-Edelstahl mit Austenit (helle Phase) In etwa gleicher Menge wie Ferrit (dunkler Farbton).
Der erhöhte Stickstoffgehalt von 2205 Duplex-Edelstahl und seine feinkörnige Mikrostruktur verleihen ihm eine höhere Festigkeit als herkömmliche austenitische Edelstähle wie 304L und 316L. Unter Lösungsglühbedingungen ist die Streckgrenze von 2205-Duplex-Edelstahl etwa doppelt so hoch wie die von 316L-Edelstahl.
Aufgrund seiner hohen Festigkeit kann die zulässige Beanspruchung von 2205 Duplex-Edelstahl viel höher sein, je nach Konstruktionscode, der für die Herstellung von Prozessanlagen verwendet wird. In vielen Anwendungen kann die Wandstärke reduziert werden, was zu Gewichtseinsparungen und Kosteneinsparungen führt.
Tabelle 1 Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Edelstahl 316L und 2205 basierend auf den Anforderungen von ASTM A 240
| Klasse | UNS No. | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Mo | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L | S31603 | 0.03 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 0.75 | 16.0-18.0 | 10.0-14.0 | 2.0-3.0 | 0.10 |
| 2205 | S32205 | 0.03 | 2.00 | 0.030 | 0.020 | 1.00 | 22.0-23.0 | 4.5-6.5 | 3.0-3.5 | 0.14-0.20 |
- Max, sofern nicht anders angegeben
Tabelle 2 Vergleich der mechanischen Eigenschaften von lösungsgeglühtem Duplex-Edelstahl 316/316L und 2205 (nach ASTM A240*)
| Klasse | UNS No. | Zugfestigkeit | Streckgrenze | Bruchdehnung | Härte, Max | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ksi | MPa | Ksi | MPa | Brinell | Rockwell | |||
| 316L | S31603 | 75 | 515 | 30 | 205 | 40% | 217 | 95 HRg |
| 2205 | S32205 | 95 | 655 | 65 | 450 | 25% | 293 | 31HRc |
- Sofern nicht anders angegeben, sind alle mindestens 3
- Der Mindestwert der starken Haut des Edelstahls 316/316L der Doppelklasse; die minimale Anforderung an den Stahl des Edelstahls 316L in einer Güteklasse ist geringer
Corrosive Eigenschaften
Lochfraßwiderstand
Die häufigste Form der Korrosion auf Edelstahl in pharmazeutischen und biotechnologischen Anwendungen ist Lochfraßkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. Der höhere Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt von 2205-Duplex-Edelstahl erzielt eine wesentlich bessere Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit als 316L-Edelstahl. Die relative Lochfraßbeständigkeit von Edelstahl kann bestimmt werden, indem die zum Auftreten von Lochfraß erforderliche Temperatur (kritische Lochfraßtemperatur) in einer 6%igen Eisenchlorid-Standardtestlösung gemessen wird.
Wie in Abbildung 3 gezeigt, liegt die kritische Lochfraßtemperatur (CPT) von 2205 Duplex-Edelstahl zwischen Edelstahl 316L und superaustenitischem Edelstahl mit 6 % Molybdän. Es sollte beachtet werden, dass die in Eisenchloridlösung gemessenen CPT-Daten verwendet werden können, um die Beständigkeit von Materialien gegen Lochkorrosion durch Chloridionen zu vergleichen, sie sollten jedoch nicht verwendet werden, um die kritische Lochfraßtemperatur von Materialien in anderen Chloridumgebungen vorherzusagen.
Abb. 3 Vergleich der kritischen Lochfraßtemperatur, gemessen in 6 %iger FeCl3-Testlösung
Spannungsrisskorrosion
Wenn die Temperatur höher als 60 °C ist, neigt Edelstahl 316L unter der gemeinsamen Wirkung von Zugspannung und Chloridionen zu Rissen. Diese katastrophale Form der Korrosion wird als Chlorid-Spannungskorrosionsrissbildung (SCC) bezeichnet. Diese Korrosion muss bei der Auswahl von Materialien für heiße Prozessflüssigkeitsbedingungen berücksichtigt werden. Die Verwendung von Edelstahl 316 in Gegenwart von Chloridionen und Temperaturen von 60 °C oder darüber sollte vermieden werden. Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist Duplex-Edelstahl 2205 gegenüber SCC in einfachen Salzlösungen bis zu einer Temperatur von mindestens 120 °C beständig.
Abb.4 Vergleich des kritischen Werts der Spannungsrisskorrosion durch Chloridionen zwischen Edelstahl 316L und Duplex-Edelstahl 2205
Roter Rost
Edelstahl, der hochreinem Wasser ausgesetzt wird, kann dünne Flecken oder Rostablagerungen auf der Oberfläche entwickeln, bekannt als Rotrost (Abbildung 5). Dieser Rost besteht hauptsächlich aus Eisenoxid- oder -hydroxidpartikeln und kann in einer Vielzahl von Farben auftreten, darunter Schattierungen von Rot, Goldgelb, Blau, Grau und Dunkelbraun. Die Ursache für die Bildung von Rotrost ist nicht bekannt, aber bestimmte Edelstahlsorten und Oberflächenbehandlungen können die Bildung von Rotrost beeinflussen.
Abbildung 5. Goldgelber (A) und grauschwarzer (B) Rotrost an der Innenwand des geschnittenen Edelstahlrohrs
In der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie sind WFI-Systeme (Water for Injection) Umgebungen mit sauberem Dampf und hochreinem Wasser ausgesetzt, in denen Rotrost häufig vorkommt. Komponenten wie Destillationseinheiten, Lagertanks, Prozessbehälter, Pumpen, Ventile und Rohrleitungen können betroffen sein.
Aufgrund der möglichen Produktkontamination erfordern stark rotgerostete Materialoberflächen kostspielige und zeitaufwändige Reinigungsvorgänge. Daher ist es notwendig, dass Kandidatenmaterialien, die in der Pharmazie und Biotechnologie verwendet werden, mindestens die gleiche Rotrostbeständigkeit wie Edelstahl 316L aufweisen müssen.
Eine systematische Untersuchung des Rotrostphänomens wurde an Materialien wie 316L-Edelstahl und 2205-Duplex-Edelstahl durchgeführt. Laut dieser Studie ist Edelstahl 2205 mindestens so beständig gegen Rotrost wie Edelstahl 316L.